Zgodovina računalništva v Sloveniji - Mikroračunalnik na čipu

Dovršitev polprevodniške tehnologije v mikroelektroniki predstavlja odločilen korak v smeri današnje informacijske ali digitalne dobe. Z napredujočim zmanjševanjem elektronskih sklopov je mikroelektronika omogočila radikalen tehnološki preskok in edinstveno stapljanje področij, kot so informatika, računalništvo in telekomunikacije.

Do začetka 70. let je mikroelektronika pomembno prispevala k izboljšanju zmogljivosti naprav na številnih področjih, in to ne le profesionalnih, temveč tudi potrošniških. Logična vezja so z napredovanjem mikroelektronike postajala vedno bolj kompaktna, njihova zmogljivost in uporabnost pa vse do danes stalno narašča. Najbolj značilna in vplivna so monolitna integrirana vezja, ki so v celoti izdelana na enem samem kosu polprevodniškega materiala. Način, kako na rezini umetnega kristalnega silicija ob pomoči fotolitografskih postopkov množično izdelati tako posamezne elektronske elemente kot tudi prevodne poti med njimi, so iznašli v ZDA na začetku 60. let. Na rezini silicija so lahko istočasno izdelali veliko število miniaturnih vezij, ki so jih nato razlomili na posamezne delce (Chip). Integrirana mikrovezja ali čipi imajo številne prednosti pred diskretnimi elektronskimi elementi in tiskanimi vezji, od nizke proizvodne cene do varčnosti in vzdržljivosti.

Mikrokrmilnik Iskra EMZ-1001E v ohišju s 40 nožicami.

Računalniški muzej

Serijo o zgodovini računalništva v Sloveniji pripravlja Računalniški muzej (www.racunalniski-muzej.si), ki ima v bližini Kina Šiška v Ljubljani tudi svoje razstavne prostore. Tam si lahko v živo ogledate, kako so bili računalniki videti nekoč, in marsikaterega izmed njih tudi preizkusite.

Kar nekaj v muzeju razstavljenih predmetov izhaja iz Monitorjevega muzeja, ki smo ga pred leti predali v upravljanje računalniškemu muzeju skupnosti Kiberpipa, njegov naslednik pa je sedanji Računalniški muzej v Ljubljani.

Zgodovinska evidenca naprav je na naslovu evidenca.muzej.si.

Razvoj mikroelektronike je bil najprej usmerjen v manj zahtevna bipolarna monolitna vezja. V računalništvu so jih začeli uporabljati že v drugi polovici 60. let, zaradi nizke proizvodne cene pa so bila nato v množični uporabi vse do konca 80. let. Uporabljali so jih v najbolj značilnih računalnikih tretje generacije, kot so mini računalniki DEC PDP, supermini računalniki DEC VAX in veliki računalniki IBM/370. Vsi so bili v tem času zelo razširjeni tudi pri nas. Na začetku 70. so računalniški proizvajalci postopno začeli uporabljati tudi dražja in zapletenejša unipolarna monolitna vezja, izdelana na kovinsko oksidnih polprevodnikih (MOS). Tehnologija je takrat omogočala že izdelavo več tisoč elektronskih elementov na posameznem čipu in se je najprej uveljavila na področju pomnilnikov. Prvič pa so nastali tudi pogoji za izdelavo celotnih funkcionalnih računalniških enot na čipu – od mikroprocesorjev in mikrokrmilnikov do grafičnih, omrežnih in drugih podobnih podpornih vezij.

Začetki mikroelektronike v Iskri ZZA (1965–1969)

Tudi v Iskrinem Zavodu za avtomatizacijo (ZZA) so okrog leta 1965 že poskusno izdelali nekaj mikroelektronskih elementov, v okviru zavoda pa so začeli načrtovati izgradnjo laboratorija za mikroelektroniko. Leta 1968 je bilo v njihovi skupini za mikroelektroniko zaposlenih 22 ljudi, na razpolago pa so imeli takrat najsodobnejšo opremo za laboratorijski razvoj polprevodnikov in mikroelektronike v Jugoslaviji. Preučevali so vse stopnje proizvodnje mikroelektronike, od samih polprevodniških surovin do končnih izdelkov, vključno z integriranimi vezji v bipolarni monolitni tehniki. Laboratorij so zaradi težav pri ustreznem razvoju proizvodnih kapacitet in prenosu tehnologije v proizvodnjo leta 1969 razpustili, razvojno dejavnost in drago opremo pa so po prizadevanjih domače stroke prenesli na Fakulteto za elektrotehniko.

Mikrokrmilnik EMZ-1001K in stikalna matrika EMZ 1005A.

Laboratorij za mikroelektroniko na Fakulteti za elektrotehniko (1969–)

Na fakulteti je bil takrat ustanovljen nov Laboratorij za mikroelektroniko (LMFE).V njem je na področju raziskav integriranih vezij najprej delalo le 13 raziskovalcev, nato pa sta se priključili še skupini raziskovalcev z Instituta Jožef Stefan in iz Iskre. Na začetku 70. so za Iskro že v celoti in samostojno izdelali nekaj integriranih vezij, nato pa so začeli pripravljati revolucionaren načrt za intenziven petletni razvoj tehnologije integriranih vezij in vzgojo kadrov pri nas. V Iskri se je v tem času že prebudilo spoznanje, da bo treba pospešiti uporabo mikroelektronike in v čim večji mogoči meri osvojiti njeno proizvodnjo ob pomoči domačega znanstvenoraziskovalnega dela. Leta 1973 so podprli načrt laboratorija in v sodelovanju s Skladom Borisa Kidriča zagotovili financiranje petletnega projekta. Gre za enega izmed prvih zglednih primerov sodelovanja industrije in univerze pri nas.

Projekt Mikroelektronika (1973–1978)

Za potrebe slovenske industrije so prek projekta postopno razvili celotno tehnologijo hibridnih in monolitnih integriranih vezij. To je bil velik dosežek domače elektronske industrije in v tem času tudi edinstven na področju jugovzhodne Evrope. Po dogovoru so na Institutu Jožef Stefan v sodelovanju s tovarno v Šempetru prevzeli razvoj debeloplastnih hibridnih vezij, na Fakulteti za elektrotehniko pa v sodelovanju z Inštitutom za elektroniko in vakuumsko tehniko zahtevnejši razvoj tankoplastnih hibridnih vezij. V dveh letih so s temeljitim raziskovalnim delom ustvarili podlago kakovostnega kadra in lastnega znanja, kar je omogočilo, da so v laboratoriju lahko začeli usvajati tudi tehnologijo najzapletenejših monolitnih integriranih vezij. Odločili so se, da ta zahtevni korak storijo ob pomoči tujega partnerja.

Mikroskopska slika vezja EMZ-1001, foto Travis Goodspeed.

Iskra Mikroelektronika

V Iskri so od leta 1978 najprej vgrajevali in preizkušali integrirana vezja, zanje pa so jih proizvajali v ZDA. Po tipičnih zapletih so leta 1983 v Stegnah končno začeli lastno proizvodnjo vezij v 5-mikronski tehnologiji NMOS. (Današnja vezja se izdelujejo tudi že v 3-nanometrskih tehnologijah, kar pomeni, da so posamezni elementi približno 2.000-krat manjši kot leta 1983.)

Pritegnili so eno izmed uspešnih ameriških podjetji s področja integriranih vezij American microsystems incorporated (AMI). Od njega so pridobili licenco za načrtovanje monolitnih integriranih vezij na kovinsko oksidnih polprevodnikih (MOS LSI) po meri, njihovo sestavljanje in preizkušanje. Domači strokovnjaki so se v načrtovanju vezij šolali v ZDA, s partnerjem pa so ustanovili projektno skupino, ki je do leta 1978 ustvarila nekaj originalnih rešitev. Laboratorij za mikroelektroniko je bil takrat že moderno opremljen in se je lahko ponašal z odlično načrtovalsko skupino okrog 50 strokovnjakov. S svojim delom so v laboratoriju omogočili celo prenos tehnologije za izdelavo vezij na rezinah silicija in uvoz napredne opreme, potrebne za izvedbo serijske proizvodnje v Iskrini lastni tovarni mikroelektronike v Stegnah.

Mikrokrmilnik Iskra EMZ-1001 (1977)

Največji dosežek projekta predstavlja mikrokrmilnik Iskra EMZ-1001, ki so ga v laboratoriji v celoti razvili do leta 1977 in tako le za las zgrešili prestižno mesto prve tovrstne naprave na svetu. Mikrokrmilniki, v nasprotju z bolj običajnimi mikroprocesorji, na enem samem vezju združujejo vse potrebne funkcionalne enote, od procesne do kontrolne in pomnilniške. Mikrokrmilniki so pravzaprav zaključeni mikroračunalniki na čipu, ki za delovanje ne potrebujejo drugih podpornih vezij. Kot vgradni procesni računalniki se običajno uporabljajo v preprostih potrošniških napravah, na primer v različnih gospodinjskih aparatih, elektronskih tehtnicah, laboratorijskih in merilnih napravah, igralnih avtomatih, elektronskih blagajnah in podobno.

Pisarniška telefonska centrala Iskra ISICOM Super.

Ustroj mikrokrmilnika Iskra EMZ-1001 je bil posebej prilagojen za uporabo v napravah s tipkovnicami za vnos podatkov in segmentiranimi diodami LED za prikaz podatkov. Na 25 kvadratnih milimetrih je vezje združevalo 13.000 tranzistorjev, izdelanih v 5-mikronski tehnologiji NMOS. Njegova 4-bitna procesna enota je delovala pri taktu le 900 KHz, vključevala pa je bornih 256 bitov pomnilnika RAM in 1.024 bitov bralnega pomnilnika ROM za programsko opremo. Nameščen je bil v enakem keramičnem ohišju s 40 nožicami kot legendarni mikroprocesor Zilog Z-80. Cena za izdelavo 5.000 kosov skupaj z izdelavo maske za program po meri je leta 1980 znašala približno 6.000 dolarjev. Ameriški partner je mikrokrmilnik pod nazivom AMI S-2000 prodajal predvsem proizvajalcem bele tehnike, pri nas pa so ga konec 70. let uporabili v Iskrini centrali Isicom Super, v tehtnici podjetja Tehtnica Železniki, igralnem avtomatu podjetja Mehanotehnika Izola in termostatu podjetja ETA Cerkno. Primerke mikrokrmilnika in centrale Isicom Super so razstavljeni v Računalniškem muzeju.

Viri in več informacij: Digitalna knjižnica Slovenije, dlib.si in spletna stran Računalniškega muzeja, racunalniski-muzej.si.

Zahvaljujemo se Nuku in drugim za digitalizacijo gradiva.