TAO Program Onderwerpen Samenleven Home Zoek Contact
Techniek - Arbeid - Organisatie
dr. Albert Benschop
Universiteit van Amsterdam

X. Micro-Elektronica

  1. Voorgeschiedenis
  2. Vijf generaties van computers
IX <= Index => XI


De introductie van de micro-elektronica in arbeidsorganisaties heeft een impact op alle aspecten van arbeid en arbeidsorganisatie. Vooral de informatietechnologie heeft een bijzondere betekenis voor kwaliteit van de arbeid, voor arbeidsorganisatie en arbeidsmarkt, voor arbeidsverhoudingen en arbeidsomstandigheden.

1Voorgeschiedenis

1.1 ENIAC

In 1943 bundelden de Moore School of Electrical Engineering (Univ. van Pennsylvania) en het (militaire) Ballistic Research Lab hun krachten om een elektronisch computer te ontwerpen die het bestaande rekentuig (elektromechnisch, werkend volgens decimaalcode en analoge probleembenadering) verre zou overtreffen. Onder leiding van de ingenieurs-docenten Mauchley en Eckert en luitenant Goldstine werd met een militair budget van $ 150.000 begonnen aan de constructie van de ENIAC: een eletronic numerical integrator en computer. Het was een kolos van 30x3x1 meter, dat met 17.468 radio-buizen 140 kilowatt gebruikte en permanente koeling eiste. Als het apparaat werkte zoekte en klikte het alsof een hele zaal vol meisjes met breipennen in de weer was.

Getallen van 0 tot 9 werden vanuit een IMB-ponskaartlezer via een transmitter de ENIAC ingevoerd in de vorm van een pultrein. De numerieke informatie werd in verschillende soorten geheugens opgeslagen: in elektromechnische telwielen, en in elektronische geheurgens bestaande uit paren vacuümbuizen die flipflop-schakelingen vormden en dus binair werkten. Voor het geheugen- en rekenwerk werden functietafels ingeschakeld waarin getallenrijen konden worden opgeslagen in de vorm van een elektronisch netwerk van weerstanden. Voor de data-uitvoer en de omzetting ervan in een leesbare vorm werd gebruik gemaakt van de reken- en kantoormachinefabriek IBM.

De ENIAC was in staat om 5000 optellingen en 300 vermenigvuldigingen per seconde te verrichten. Hoewel dit in vergelijking met de huidige standaarden traag is - microcomputers kunnen meer dan 100 miljoen optellingen per seconde verrichten - was dit 100 tot 1000 keer sneller dan de bestaande mechanische computers of rekenmaschines.

Van het officiële Report on the ENIAC (1 June, 1946) is inmiddels het eerste deel via het Internet toegankelijk. Het bevat een technische beschrijving van de manier waarop de ENIAC werkte. Het veronderstelt geen kennis van de elektronische circuit-theorie. In de site ENIAC 50th Anniverary Celebration zijn een aantal informatiebronnen over de ENIAC bijeengebracht. Je vind er o.a. het ENIAC Virtual Museum, de ENIAC Archives van de Universiteit van Pennsylvania, en A Short History of the Second American Revolution van Dilys Winegrad and Atsushi Akera. Informatie over de twee belangrijkste uitvinders van de ENIAC vind je in de fraai uitgevoerde virtuele tentoonstelling over John W. Mauchley en in de Recollections of J. Presper Eckert (1988).

1.2 Het schema van Neumann: de logische structuur van een computer

Johann von Neumann - die al eerder een ontstekingsmethode bedacht waardoor de eerste plutoniumbom kon worden gemaakt - schreef in julie 1945 het belangrijkste document dat ooit over computers en machinaal rekenen geschreven is: First Draft of a report on the EDVAC. De ingenieurs en wiskundigen hadden tot dan toe computers beschouwd als een doorbraak in de traditie van elektrische machines. Neumann zag als eerste de mogelijkheid van computers en concentreerde zich op de logische structuur van een computer. Ook vóór 1945 wist men al dat via elektromagnetische en elektronische circuits reken- en regelfuncties konden worden uitgevoerd. Von Neumann was echter de eerste die de computer als 'denktuig' beschouwde en die zijn werking logisch analyseerde (alsof het ging om een gewone tak van de wiskunde of de logica). Hij maakte een onderscheid tussen vijf functies van een dergelijke machine: Daarbij vergeleek hij de structuur van deze 5 functies met die van het menselijk brein [Pieterson e.a. 1981:269; Randell e.a.:355 e.v.].

Literatuur van & over Neuman:

  1. John von Neumann (1903-1957)
  2. Charney, J. G., R. Fjörtoft / John von Neumann [1950] "Numerical Integration of the Barotropic Vorticity Equation", Tellus, Vol. 2, pp. 237-254.
  3. Taub, A. H. (ed)[1961-63] John von Neumann: Collected Works, 1903-1957, 6 Vols., Pergamon Press, Oxford (UK).
  4. von Neumann, John / Oskar Morgenstern [1944] Theory of Games and Economic Behavior, Princeton Univ. Press, Princeton NJ.
  5. von Neumann, John [30 June 1945] First Draft of a Report on the EDVAC, Contract No. W-670-ORD-492, Moore School of Electrical Engineering, Univ. of Penn., Philadelphia. Reprinted (in part) in Randell, Brian. 1982. Origins of Digital Computers: Selected Papers, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, pp. 383-392.
  6. von Neumann, John [1946] "The Principles of Large-Scale Computing Machines", reprinted in Ann. Hist. Comp., Vol. 3, No. 3, pp. 263-273.
  7. von Neumann, John [1958] The Computer and the Brain, Yale Univ. Press, New Haven.
  8. von Neumann, John / Arthur W. Burks [1966] Theory of Self-Reproducing Automata, Univ. of Illinois Press, Urbana IL.

top


2 Vijf generaties van computers

1e Generatie: radio-buizen

In begin jaren vijftig zijn computers voornamelijk 'calculators' die met betrekkelijk geringe geheugencapaciteit differentiaal en integraal-rekeningen kunnen uitvoeren. Om commercieel attractief rekentuig te produceren moesten er grotere geheugens en betere in- en uitvoerapparatuur worden ontwikkeld. De cruciale beperking van deze eerste generatie computers was de schakelsnelheid van mechanische relais [Pieterson 1981: 267 e.v.].

2e Generatie: transistoren

Invoering van vacuümbuis was een enorme stap vooruit, maar de volgende sprong zou gemaakt worden met een geheel nieuwe technologie: de transistor. Na de 2e WO werd onderzoek gestart naar halfgeleiders: stoffen waarvan de geleidende eigenschappen liggen tussen die van geleidende metalen en isolatoren.[1] De grote vraag was of het mogelijk was om de vacuümbuis te vervangen door iets dat kleiner, lichter en vooral goedkoper was? Shockley e.a. van de Bell Labs bouwden voort op het radaronderzoek en ontdekten in 1947 het 'transistor-effect': een zwakke basisstroom kan onder bepaalde condities door de halfgeleider een veel sterkere stroom regelen; wanneer de basisstroom gelijk is aan nul, kan via de transistor geen collectorstroom passeren. De transistor kan dus als elektronische schakelaar functioneren voor bijvoorbeeld in- en uitschakelingen (digitaal: + of -).

Van germanicum naar silicium
De punt-contact-transistor op basis van germanicum werd het eerst ontdekt in juni 1948. Deze schakeling maakte gebruik van de typische eigenschap van halfgeleiders van dat materiaal. Het grote nadeel was echter dat deze schakeling nog van contactdraadjes voorzien was. In 1949 slaagde men er uiteindelijk in opening en sluiting van stroomkringen te maken zonder interne contactdraden. Dit werd mogelijk door de transistoren in lagen op te bouwen: de zgn. p-n-p schakeling. Zie figuur: @. Deze schakeling was nog wel via draden verbonden met andere onderdelen in een elektrisch circuit, maar betekende wel een grote doorbraak. De doorbraak van Shockley en twee van zijn medewerkers werd beloond met een Nobelprijs. Vooralsnog kwam deze innovatie nog niet in een produktiestadium.[2] De patenten op deze uitvinding monopoliseerden deze door anderen dan Bell (of haar licentiehouders) van het gebruik van de vinding uit te sluiten. De Amerikaanse overheid zette Bell en Western-Electric echter zodanig onder druk met de anti-trust wetgeving, dat zij moest besluiten de transistor patenten vrij te geven.

De germanium-transistoren van Bell Labs bleken echter zeer warmte-gevoelig te zijn. Dat was een groot nadeel te zijn toen men deze technologie probeerde toe te passen in raketten. De besturing en regulering van de raketmotor werd door dit effect ontregeld. Tijdens het militaire onderzoek van Texas Instruments en andere elektronicaproducenten slaagde Jack Kilby er in 1955 in het germanium te vervangen door het silicium.[3] Daarmee werd bereikt wat al eerder was voorspeld, namelijk dat er in de nabije toekomst elektronische circuits geconstrueerd zouden kunnen worden die een hele serie transistoren zou vervangen door "massieve brokken zonder verbindende draden" (aldus de Brtise elektronicus Dummer in 1952). Toen dit gerealiseerd was begonnen de gecontracteerde ondernemingen zich in te spannen om dit nieuwe idee in praktijk te brengen door hiervoor een produktielijn op te zetten. Zij moesten hiervoor echter nog twee bijzondere prestatie leveren. Ten eerste moesten zij de silicium-transistoren zodanig vereenvoudigen dat een massale en 'goedkope' (d.i. rendabele) produktie mogelijk werd. Ten tweede moest het integratieniveau van de circuits worden verhoogd. Door onderzoek op het gebied van de oppervlaktelaagjes fysica werd dit uiteindelijk mogelijk gemaakt.

Deze twee problemen werden opgelost door de ondernemingen die in de omgeving van San Francisco genesteld waren. De vallei waar deze ondernemingen in geconcentreerd waren kreeg snel de inmiddels wereldwijd bekende naam van Silicon Valley.

Vanaf 1955 werd gewerkt aan manieren om kunstmatig laag voor laag en volgens patroon chemisch-fysische verontreiningen aan te brengen op dunne 'wafels' van zuiver kritallijne gemanium of silicium - de ets methode. Onbewerkte siliciumplaatjes worden bedekt met isolatiemateriaal (silicium-dioxide); door ets- en diffusietechnieken ontstaan er 'vensters' tussen de lagen materiaal die voor de elektrische signalen open of dicht kunnen zijn. Het planaire etsprocédé werd in 1960 door Fairchild geperfectioneerd. Hierdoor ontstond een nieuw soort elektronica: men maakte geen gehelen uit losse onderdelen, maar een geïntegreerd circuit door de laag-voor-laag etsprocédé. Na 1960 concentreerde men zich op de verdere verkleining van de wafels waarin het transistor-netwerk is aangebracht. Pas in 1964 werd het mogelijk om goedkope IC's (geïntegreerde circuits) op de civiele markt te brengen. Rond 1970 vind een nieuwe innovatie plaats als de MOS-techniek (metaal-oxide- semigeleiders) het mogelijk maakt om grootschalige IC's te vervaardigen: de echte chips. De ontwikkeling van moderne computers was volledig afhankelijk van de ontwikkelingen in geïntegreerde circuits (en de moderne geïntegreerde circuits ontwikkelden zich in een richting die grotendeels werd bepaald door computers).

Toepassingen
De eerste toepassingen van de halfgeleider elektrocnica vonden plaats in de telefoonindustrie en in gehoorapparaten. Dit werd snel gevolgd door de eerste transistorradio's in 1954. Televisiecamera's - maar niet ontvangers - volgden snel. In 1955 begon met transistoren in computers te gebruiken. IBM bracht een computer op de markt waarin de 1250 radiobuizen waren vervangen door 220 transistoren, waardoor het energieverbruik van de computer werd gereduceerd met 95%. Ook de militaire aankoop van transistors voor telecommunicatie en andere elektronische apparatuur nam snel toe. In 1955 kocht de overheid 22% van alle gefabriceerde halgeleider apparaten. De prijs van deze apparaten daalde snel naarmate de ondernemingen verdere stappen zetten op de leercurve. De gemiddelde prijs van silicium transistors daalde van $ 17.81 in 1957 tot $ 2.65 in 1963. De gemiddelde prijs van geïntegreerde circuits daalde van $ 30 in 1963 tot $1 in 1971 [Braun 1980: 76].

3e Generatie: IC's

Niet de inhoudelijke interesse in computers maar marktconcurrentie drijft in de jaren '50 en '60 de ontwikkeling vooruit. Toch moesten er in de laboratoria de technische drempels worden overwonnen.

In 1953 bracht IBM een wetenschappelijke special-purpose computer op de markt en een jaar later de IBM-650 voor de zakenwereld. Deze machine - een computervervanging voor IBM's eigen ponskaart-soorteerapparaat - sloeg onverwacht goed aan. Binnen twee jaar werden hiervan ruim 400 exemplaren verkocht. De tweede generatie-computer was geboren en vele andere concurrenten (Genral Electric, Control Data Corporation, Digital Equipment Corporation e.a.) dienden zich aan.

In 1964 kondigde IBM aan dat zij het jaar daarop met een nieuwe generatie computers zou uitbrengen, gebaseerd op geïntegreerde transistorcircuits (IC's). Iets later dan aangekondigd, vanwege de extreem lastige programmering, werd het IIBM System 360 op de markt gebracht als eerste exemplaar van de derde computergeneratie.

4e Generatie: VLIC en miniaturisering

'Very large integrated circuits' (VLIC)

MAS-techniek die in 1969 werd ontdekt maakte de integratie van hele reeksen schakelelementen in enkele kubieke millimeters halfgeleidersmateriaal mogelijk. In de jaren '70 beconcurreerden de transistorfabrieken elkaar scherp door miniaturisering. 'Large scale integratie' (LSI): van 1000 elementen per kubieke millimeter in 1971 naar 3500 in 1976. Niet fundamenteel onderzoek staat centraal, maar ontwikkeling: beheersing uitvalpercentrage in de produktielijn, opvoering van betrouwbaarheid en produktiviteit.

De vierde generatie wordt gekenmerkt door dalend volume en stijgende capaciteit.

Toepassingen van IC's groeiden snel: elektrische apparaten, communicatieapparatuur, zakcomputertjes en arbeidsrobotten.

Microprocessor (MP) is geïntegreerd circuit dat rol vervuld van een volledige centrale processor eenheid (CPU) van een computer. Het circuit reageert niet op een vaste, voorgeprogrammeerde manier op een input signaal om een uitput signaal te produceren. Belangrijkste kenmerk van de MP is dat zijn antwoord, zijn logica veranderd kan worden. De MP kan dus op verschillende manieren worden geprogrammeerd.

De micro-processor werd in 1971 door M.E. Hoff bij Intel uitgevonden. Hoff plaatste het 'brein' van de computer, zijn centrale processing unit (CPU) op een enkele chip van silicon. Daaraan verbond hij twee geheugenchips: een om de gegevens in en uit de CPU te voeren, en een om het programma de CPU te laten aansturen. Hij construeerde dus een rudimentaire general purpose computer dat niet alleen kon functioneren als een complexe calculator, maar ook een lift kon bedienen of een serie verkeerslichten, al naar gelang het programma. Het duurde 3 jaar voordat de eerste mp's op de markt kwamen. Tegenwoordig kan een volledige computer op een enkele chip worden gezet.

5e Generatie: AI en KIPS

Logische prestaties (i.p.v. wiskundige prestaties), beschikking over kennisbestanden (i.p.v. databestanden), en efficiënte omgang met kennis (i.p.v. snelle toegang tot omvangrijke databestanden). Dus geen gegevensverwerking, maar kennis- en informatieverwerkende systemen ('Knowledge-Information-Processing Systems', KIPS); en ingrijpende verandering in randapparatuur: communicatie in 'natuurlijke taal'.


Literatuur & Bronnen over Geschiedenis van de Computer

  1. Lee, J.A.N.: The History of Computing - Een grote verzameling historische en actuele informatie over mensen, machines, musea, verzamelingen en publicaties.
  2. Lee, J.A.N.: The Machine that Changed the World -
  3. Roger, Harold: The History of Modern Computing in General.
  4. Zuse, Horst: The History of Computing - Resources on the Web. Horst Zuse is de zoon van Konrad Zuse (1919-1995), die door sommigen gezien wordt als de echte vader van de computer. Hij bouwde de Zed-1 in 1936 in de woonkamer van zijn ouders in Duitsland. Anders dan de latere computers was de Zed-1 louter mechanisch. De Zed-1 werd vernietigd bij een bombardement tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Noten

[1] Halfgeleiders zijn stoffen die noch goed geleiden noch goed isoleren, wanneer ze in zuivere kristalvorm voorkomen. Wanneer er een lichte verontreiniging op wordt aangebracht, dan verandert niet de chemische structuur, maar wel het elektrisch geleidend vermogen.

[2] Het duurde tot 1951 voor men de theoretische innovatie produktietechnisch onder de knie kreeg. De transsistorfabrieken kampten lange tijd met veel uitval, zodat de prijs per exemplaar slechts geleidelijk daalde. Van 1951 tot 1956 steeg het aantal ondernemingen dat transistors produceerde van 4 tot 26. In 1957 de nieuwe ondernemingen (zonder ervaring in de radiobuizen-industrie) al 64% van de de totale markt voor semigeleiders.

[3] Texas Instruments had geen ervaring in elektronica voor 1949 en richtte haar eerste laboratorium pas in januari 1953 op.

top


IX Machine, mechanisering, automatisering <= Index => XI Op weg naar de automatische fabriek?

TAO Program Onderwerpen Samenleven Home Zoek Contact