De chip — De moderne elektronische bouwsteen

HET digitale koffiezetapparaat dat uw ochtendbrouwsel produceert, de zakcalculator die u heel wat gecijfer bespaart, het veelkleurige beeldscherm op het dashboard van nieuwe auto’s — ze hebben allemaal één ding gemeen: Ze zijn mogelijk gemaakt door het gebruik van flinterdunne siliciumchips niet veel groter dan de duimnagel van een baby.

Deze chips zitten ook in veel andere dingen die u misschien hebt — horloges, tv-toestellen, radio’s, telefoons, huishoudelijke apparaten en sommige gereedschappen. Van de gewone alledaagse dingen die in huis worden gebruikt tot uiterst geheime militaire apparatuur — dit minuscule juweeltje uit de verbazingwekkende wereld van de elektronika speelt een voorname rol in de veranderingen die zich wereldwijd in het leven en het werk van mensen voltrekken. Maar wat is een siliciumchip nu precies? Hoe is hij tot stand gekomen? En hoe heeft hij zich een plaats veroverd in uw dagelijks leven?

Wat is een chip?

Een siliciumchip is in wezen een verzameling zeer kleine elektronische circuits. U zou een elektronisch circuit kunnen vergelijken met een zin in dit artikel. Elke zin is opgebouwd uit standaardcomponenten zoals zelfstandige naamwoorden, werkwoorden en bijvoeglijke naamwoorden. Door deze componenten op verschillende manieren te rangschikken, kunnen zinnen worden samengesteld die een verklaring, een vraag en zelfs een dichtregel vormen. En door zinnen op een logische manier te combineren, ontstaat er een gesprek of een geschrift.

Elektronische circuits hebben daar veel van weg. Door elektronische standaardcomponenten — transistoren, dioden, weerstanden en dergelijke — op verschillende manieren te rangschikken, kunnen er elektronische circuits opgebouwd worden die veel functies vervullen. Vervolgens kunnen duizenden van deze circuits gecombineerd worden voor het verrichten van allerlei nuttige elektronische processen. Zo gaat het, tenminste in theorie.

In de praktijk is het echter een enorme taak honderdduizenden elektronische componenten samen te voegen, om nog maar niet te spreken van de ruimte die ze innemen. Dat was nu juist het obstakel waarvoor wetenschappers zich tegen het einde van de jaren ’40 geplaatst zagen toen zij de eerste generatie computers in elkaar zetten. Een zo’n computer in Philadelphia, ENIAC genaamd (Elektronische Numerieke Integrator en Calculator), besloeg 140 m² vloerruimte, woog ongeveer 27 ton en bevatte zo’n 19.000 elektronenbuizen! Dit monster verbruikte net zo veel energie als 1300 gloeilampen van 100 watt. Zijn energieverslinding was aanleiding tot amusante verhalen. Zo werd onder meer gezegd dat als hij werd aangezet, alle lichten in West-Philadelphia minder fel zouden gaan branden.

Ondanks hun omvang was het prestatievermogen van ENIAC en zijn soortgenoten absoluut onbetekenend vergeleken bij dat van de huidige computergeneratie. Terwijl een tafelcomputer tegenwoordig miljoenen bewerkingen per seconde kan uitvoeren, ploeterde ENIAC met een snelheid van ongeveer 5000 optellingen of slechts 300 vermenigvuldigingen per seconde. En terwijl thans computers die maar een paar honderd gulden kosten, voldoende intern geheugen kunnen hebben om 100.000 getallen of meer op te slaan, kon EDVAC, een andere vroege reus, er slechts 1024 opslaan. Wat is er gebeurd waardoor het vermogen van de hedendaagse computers zo toegenomen is?

In het begin van de jaren ’60 verscheen de kleine en doelmatige transistor op het toneel. Ten slotte slaagden computergeleerden erin de grootte van hun trage, energieverslindende monsters te reduceren. Er zou zich echter nog een ontwikkeling voordoen voordat de huidige computers gebouwd konden worden. Die zou uit de wereld van de fotografie komen.

Miniaturisatie en de chip

Zoals u misschien weet, kunnen foto’s met behulp van de juiste apparatuur naar behoefte vergroot of verkleind worden. De afgelopen jaren is er een techniek ontwikkeld die computertechnici in staat stelt grote blauwdrukken van computercircuits te verkleinen tot minuscule afmetingen. Deze blauwdrukken kunnen zo complex zijn als het stratenplan van een grote stad, maar als ze verkleind zijn, passen ze op een chip die nog kleiner is dan een contactlens. De foto’s worden niet op gewoon fotopapier afgedrukt maar op schilfertjes puur silicium aangebracht, een van de elementen die op aarde het meest voorkomen en wel in gewoon zand.

Silicium heeft enkele eigenschappen waardoor het voor het maken van chips de voorkeur geniet. Door er bijvoorbeeld verschillende soorten vreemde atomen aan toe te voegen, wordt bereikt dat het silicium zich gedraagt als een weerstand, als een condensator en zelfs als een transistor. Door diffusie van deze vreemde atomen op specifieke plaatsen in een enkele siliciumchip is het dus mogelijk er een heel elektronisch circuit op te reproduceren.

De uit gesmolten en gezuiverd zand gewonnen siliciumkristallen laat men groeien totdat ze lijken op lange worsten. Dan worden ze in dunne schijfjes verdeeld en krijgen ze een speciale coating. Minuscule beelden van de grote elektronische circuits worden in opeenvolgende lagen op de schijfjes geëtst. Op goed gedefinieerde plaatsen worden vreemde atomen toegevoegd. En ten slotte staan er op de chips niet slechts afbeeldingen maar echte functionerende elektronische circuits, geïntegreerde schakelingen of kortweg IC’s (van integrated circuits) genoemd.

De geïntegreerde schakelingen die in de jaren ’60 werden gemaakt, bevatten ongeveer honderd elektronische componenten. Daardoor waren technici in staat „kleine” computers ter grootte van een koffer te bouwen voor laboratoria en andere instellingen. Tegen het einde van de jaren ’70 werden er LSI-chips (large scale integration = integratie op grote schaal) met meer dan honderdduizend componenten gemaakt. Deze chips zijn zo complex dat één ervan in theorie de functies van een complete computer zou kunnen vervullen, bijvoorbeeld het bedienen van een magnetronoven of het besturen van een auto. Thans spreken computergeleerden van VLSI-chips (very large scale integration), die miljoenen componenten bevatten. Stelt u zich het stratenplan van een stad van bijna 1600 km², of tweemaal de grootte van Alaska, eens voor, samengebracht op een chip van 0,6 centimeter in het vierkant!

De chip en u

Het gebruik van de chip maakt veel van het vervelende solderen en de saaie handenarbeid overbodig die nodig zouden zijn bij de fabricage van ingewikkelde elektronische apparatuur. Het eindprodukt is daardoor goedkoper, betrouwbaarder en kleiner. Door massaproduktie zijn de kosten van chips met speciale vermogens, zoals geluidssynthese, zo drastisch verlaagd dat ze tegenwoordig in allerlei produkten gebruikt worden.

Deze chips worden dan ook alom toegepast in sprekende spelletjes, in verkoopautomaten en in auto’s. In sommige landen kan de „telefoniste” die u zegt hoe laat het is of die u een telefoonnummer geeft, van silicium gemaakt zijn! Ook gebruiksgoederen waarin chips zitten om uw ingesproken opdrachten te begrijpen, worden populair. Sommige daarvan zijn slechts als grapje bedoeld, maar andere zouden een grote en welkome hulp voor gehandicapten kunnen zijn.

Ook in de industrie en de zakenwereld maakt men gebruik van chips. In fabrieken worden ze aangewend om robots te besturen die bij saai, eentonig of gevaarlijk werk de plaats van mensen kunnen innemen. Ze winnen al terrein bij de autofabricage, waar ze bijvoorbeeld lassen en spuiten. Op kantoren worden schrijfmachines in hoog tempo vervangen door elektronische tekstverwerkers die uw spelling controleren, u in staat stellen veranderingen aan te brengen zonder het hele document te hoeven overtypen, en zelfs etiketten automatisch adresseren. Dit heeft soms echter niet alleen voordelen maar ook nadelen. Administratief personeel mag dan verlost zijn van de sleur van het routinewerk, maar zit in plaats daarvan steeds meer gekluisterd aan het beeldscherm van de computer.

Daar staat tegenover dat siliciumchips een opmerkelijke bijdrage hebben geleverd tot de revolutie in de communicatietechnologie die deze generatie heeft meegemaakt. Het tijdschrift dat u leest, is via een beeldscherm ingetikt en door een computer gezet. Ja, met het unieke MEPS-systeem (veeltalig elektronisch fotozetsysteem), waarbij gezet en gedrukt wordt met behulp van computers, verricht het Wachttorengenootschap baanbrekend werk door de veeltalige toepassing van de steeds meer ingeburgerde, waardevolle en nuttige elektronische bouwsteen — de siliciumchip.