Microchips in producten
Vanaf de vijftiger jaren van de vorige eeuw tot nu heeft de consumentenelektronica een enorm ontwikkeling doorgemaakt. De producten hebben niet alleen een uitgebreidere functionaliteit gekregen maar zijn ook kwalitatief sterk verbeterd en betrouwbaarder geworden. Door verbeterde technieken en materialen is het nu ook mogelijk om meer kunstzinnige vormen van de producten te maken. De ontwikkeling van de microchip hebben hier in een grote rol in gespeeld. Vrijwel alle moderne technologie is gebaseerd op deze microchip. Van koffiezetapparaat tot communicatiesatelliet, van televisie tot computer, er is vrijwel geen enkel apparaat dat kan functioneren zonder microchip. Dit betekent dat de miniaturisering van de micro-elektronica bij uitstek een sleuteltechnologie is bij de verdere ontwikkeling van de consumenten elektronica.
Hieronder een galerij met kleine foto’s met een kort overzicht van de ontwikkeling van het belangrijkste element van de micro-elektronica de transistor, van elektronen buizen tot microchips. Verder in de galerij een overzicht over de evolutie van de meest voorkomende producten (Radio, TV, Telefoon, Computer en Auto).
Voor een uitgebreidere beschrijving, hover over de foto’s.
De elektronenbuis, ook wel radiobuis of vacu mbuis genoemd, was de eerste echt actieve elektronische component. Vanwege de gelijkenis van vroege typen met een gloeilamp werden ze ook wel radiolamp genoemd. De elektronenbuis als versterkerelement werd op 16 november 1904 gepatenteerd en was medio 1980 vrijwel geheel verdwenen uit de consumentenapparatuur. Een groot nadeel van de elektronenbuis was de lange tijd voor dat deze op bedrijfstemperatuur was, wat relatief veel energie koste. Dit opwarmen en weer afkoelen verstoorde op den duur ook het gedrag van de elektronenbuis. bron: wikipedia
Elektronen Buizen waren de eerste echte actieve elektronische componenten.
Om een schakeling / applicatie te maken, bv. voor tv of radio, worden meerdere transistoren, weerstanden en capaciteiten op een printed circuit board (PCB) gesoldeerd. Een PCB is een kartonachtig board met een laagje koper waarin de verbindingen tussen de elementen al ge tst zijn. Met een kleine transformator word de voedingsspanning aangesloten voor de correcte werking. Deze applicatie was beduidend kleiner en verbruikt veel minder energie dan die van de elektronenbuizen. bron: wikipedia
Applicatie met Transistoren: meerdere Transistoren op een PCB.
Om een schakeling / applicatie te maken, bv. voor tv of radio, werden meerdere elektronenbuizen op een kartonachtig board vastgemaakt dat van achteren met kabeltjes op de juiste manier werd aangesloten voor de correcte werking. Verder moest met behulp van een transformator de juiste voedingsspanning worden opgewekt. Door deze transformator en de grote van de elektronenbuizen nam deze veel ruimte in beslag. bron: wikipedia
Applicatie met Buizen: meerdere elektronenbuizen op een board.
Een ge ntegreerde schakeling (van het Engelse integrated circuit, IC of te wel microchip) is een elektronische schakeling die niet zoals voorheen bestaat uit losse componenten op een printplaat, maar waarin de schakeling en alle componenten ge ntegreerd gefabriceerd zijn op een plakje silicium (Si). Zo'n plakje wordt daarna in een keramische behuizing met metalen pootjes gelijmd of in een plastic behuizing met metalen pootjes gegoten. Microchips zijn tegenwoordig in bijna alle elektrische toestellen van enige complexiteit (computers, mobiele telefoons, wasmachines, auto's) aanwezig. De eerste werkende ge ntegreerde schakeling werd in september 1958 door Jack Kilby van Texas Instruments gepresenteerd. Het was nu mogelijk om een PCB met gewone losse componenten en transistoren te vervangen door 1 microchip. Dit heeft een verregaande miniaturisatie van alle elektronische apparatuur mogelijk gemaakt. bron: wikipedia
Microchip alle componenten zijn ge ntegreerd gefabriceerd op een plakje silicium (Si).
De transistor werd uitgevonden en ontwikkeld in 1947 en nam de plaats van de elektronenbuis medio 1980 vrijwel geheel over in de consumentenapparatuur. De transistor is veel compacter, hoeft niet eerst warm te worden, verbruikt minder energie en gaat langer mee dan de elektronenbuis. Een transistor dient vooral om elektronische signalen te versterken (analoog gebruik) of te schakelen (digitaal gebruik). De transistor is de fundamentele bouwsteen van computers en vele andere elektronische schakelingen. Een transistor als los onderdeel bestaat uit een kristal van een halfgeleider in een afgesloten omhulling van metaal of kunststof. Men kan het zien als een microchip met maar een element, de transistor. De naam transistor is volgens een technisch memorandum van Bell Labs uit 1948 een samentrekking van de Engelse woorden transfer (overdracht) en variable resistor (variabele weerstand). bron: wikipedia
Transistor dient vooral om elektronische signalen te versterken of te schakelen.
Uiteraard worden meerdere IC's op een PCB gesoldeerd om de verschillende functie te koppelen en het betreffende apparaat te laten werken. Door deze minimalisering konden de apparaten met meer functies werken, compacter worden en minder energy verbruiken. bron: wikipedia
Applicatie met Microchips: meerdere Microchip op een PCB.
De technologische vooruitgang van ge ntegreerde schakelingen houdt zich al tientallen jaren aan de Wet van Moore. De wet van Moore stelt dat het aantal transistors in een ge ntegreerde schakeling door de technologische vooruitgang elke twee jaar verdubbelt. De voorspelling werd in 1965 gedaan door Gordon Moore, een van de oprichters van chipfabrikant Intel. De voorspelling van Moore heeft 50 jaar stand gehouden en begint de laatste tijd haarscheurtjes te vertonen. De vraag is natuurlijk was Moore een goede waarzegger of hebben de technologen dit als enorme leidraad gezien om kost wat kost deze trend te volgen wat ze tot nu toe erg goed gelukt is. (vervolg verhaal volgend plaatje) bron: wikipedia
Transistors per mm2 De wet van Moore stelt dat het aantal transistors in een chip elke twee jaar verdubbelt.
Met de komst van de transistor en het vervangen van mechanische componenten door elektronische oplossingen kon de radio steeds kleiner gemaakt worden. Ook was de hoge spanning voor de buizen niet meer nodig welk resulteerde in een veel kleinere transformator. Doordat hierdoor ook de voeding spanning verlaagt kon worden en een batterij gebruikt werd voor de werking, was de transistor radio geboren. Later werden microchips gebruikt waardoor het apparaat steeds kleiner werd en de functionaliteit uitgebreid kon worden met bv. met aanduiding op scherm zoals informatie over het muziek nummer en de tijd. Later werd het mogelijk om de radio functie geheel in software te schrijven en kan men radio luisteren op andere apparaten zoals: computer en telefoon. Sommige spreken dan ook over de invisible radio. bron: wikipedia
Evolutie van de Radio van buis tot microchip, de radio wordt steeds kleiner.
Natuurlijk geld deze wet voor processen met een patroon dat zich over de hele chip herhaald, de geheugen chip. De digitaal chip heeft een minder gelijkmatig patroon maar is toch erg dense. Daarom liggen digitaal een aantal jaren achter. Digitaal wordt het oorspronkelijke signaal teruggebracht tot bits (enen en nullen), die altijd getrapt of sprongsgewijs veranderen. Het zijn namelijk alleen enen en nullen, er zit niets tussen. Bij analoge technologie is het signaal traploos en de kwaliteit van de processen moet hoger en nauwkeuriger zijn. Daarom kan en volgt analoog deze trend niet en is het zelfs niet mogelijk om in de kleinste processen analoge circuit te maken. Door de digitalisering is het aandeel van analoge functies kleiner geworden. Hierdoor word meestal aparte chips gemaakt voor analoog en digitaal die op de PCB communiceren. Heden ten dagen worden ook meerdere chip in een omhulling geplaatst wat de miniaturisatie ten goede komt. bron: wikipedia
De Kleinste afmeting: op een chip worden steeds kleiner. En het maak het maak proces word steeds complexer.
De buizen TV stamt van de jaren 50 van de 20ste eeuw. De grotere complexiteit dan de radio is dan ook duidelijk te zien aan de opengewerkte buizen TV. Ook is duidelijk de grote beeldbuis te zien die erg veel spanning nodig heeft en veel ruimte in beslag neemt. Vooral de grote beeldbuis en de transformator om de hoge spanningen op te wekken waren de oorzaak dat het apparaat groot en zwaar waren. De functie was ook enorm beperkte. Verder waren ook nog mechanische componenten nodig zoals: kanalen kiezer en drukknoppen. bron: wikipedia
Buizen TV De grote beeldbuis nodig om het beeld op te projecteren is duidelijk te zien.
De radio is wel het oudste consumentenelektronica product en stamt al vanaf begin 20ste eeuw. De open gewerkte buizen radio laat zien dat de elektronen buizen een grote ruimte in beslag namen en dat daarom de radio's ook groot waren. De ruimte was niet alleen nodig omdat de buizen groot zijn maar ook nodig vanwege de noodzakelijke warmte afwikkeling. Er waren ook maar enkele elektronen buizen wat de functie enorm beperkte. Verder waren ook nog mechanische componenten nodig zoals: kanalen kiezer en drukknoppen. bron: wikipedia
De Buizen Radio is het oudste consumentenelektronica product van begin 20ste eeuw.
Evolutie van de TV het kleine beeldscherm word steeds groter en platter, de grens tussen TV en computer vervaagd.
De telefoon is dan wel ouder dan de radio maar was in het begin hoofdzakelijk mechanisch. D.m.v. een elektromechanische schakelaar (kiezer genoemd of kiesschijf) die stroomimpulsen naar de centrale stuurt om een verbinding te maken met de ontvanger waarna het contact tot stand kwam en men met elkaar kon spreken. Met de komst van de transistor kon de kiesschijf vervangen worden door drukknoppen om de impulsen te geven. Met de digitalisering en de komst van de microchip werd het makkelijker om verbindingen te maken en de kwaliteit van spraak te verbeteren. Later was het mogelijk om ook computer signalen over deze telefoonlijnen te sturen en verbindingen tussen computers te maken. Rond 2000 werd het mogelijk om de signalen via de ether te sturen en maakte de mobiele telefoon zijn intrede. Verder ontwikkeling van de elektronica zorgden voor een veel groter functionaliteit van het mobiel bellen. Tekst berichten (sms), foto's maken, radio luisteren, TV of video kijken, online gaan om dingen op internet op te zoeken en de weg te zoeken naar je bestemming. bron: wikipedia
Evolutie van de Telefoon van een mechanisch toestel tot een elektronische alles kunnen waarop je zelfs films kan bekijken.
Voor de 2e wereldoorlog waren er al mechanische computers die wiskundige bewerkingen konden uitvoeren maar niet geschikt voor de gewone consument. De eerste computer bevatte 18000 buizen, 70000 weerstanden, 10000 condensatoren en 6000 schakelaars en verbruikte evenveel energie als een zware locomotief en was enkele klaslokalen groot. Met de komst van de transistor en later de microchip kon de computer veel kleiner en sneller worden, maar nog niet geschikt voor thuis gebruik. De computer voor de consument, de home computer, die goedkoop genoeg waren kwamen in de periode 75-85 van de 20ste eeuw. Er was nog geen standaardisatie en iedere firma had een eigen systeem. In 1981 werd de eerste personale computer gepresenteerd door IBM. Door de openheid van IBM door veel firma's op vergelijkbare manier nagebouwd en werd zo de standard voor home computers. Microsoft heeft toen bedongen om een besturingssysteem te maken, MS-DOS dat toen de standaard werd. Alleen Apple heeft zich hiervan weten te onttrekken en de macintosh-architectuur uitgebracht. Door de snelle ontwikkeling van de elektronica zijn de personal-computers ook in het bedrijfsleven gemeen goed. De miniaturisering is zover geevalueerd dat de computer heden ten dagen in alle producten voorkomt, TV, mobiele-telefoon etc. bron: wikipedia
Evolutie van de Computer van mainframe met beperkte snelheid tot handheld device waarop de hele wereld in milliseconden te bereiken is.
De eerste elektronische systemen in auto's waren al verkrijgbaar in 1930 met elektronenbuizen en in 1960 met transistoren, maar dit even terzijde. In 1970 begonnen de eerste experimenten met microchips in auto's, hoe kan het ook anders, in Japan. De ontwikkeling van de hedendaagse auto elektronica gebaseerd op microchips begint eigenlijk pas deze eeuw en gaat erg snel. Een classificatie van de auto elektronica: veiligheid, aandrijflijn, elektrisch systeem, comfort, infotainment en connectiviteit. Er zijn ook al experimenten, of meer van dat, voor zelf rijdende auto's. bron: wikipedia
Evolutie van Automotive elektronisch systemen maken het rijden veiliger en aangenamer, de stap naar zelfrijdende auto’s is al gezet.