Jak działa matryca? - 1. Trochę historii
1. Rozdział 1
 Lampa analizująca 2.3 cala, źródło Wikimedia Commons |
Lampy analizujące, zwane inaczej vidiconami, niepodzielnie panowały aż do lat 80. XX wieku. Przez ten czas przeszły wiele przeobrażeń, powstały różnorakie ich mutacje, były wykorzystywane nie tylko na potrzeby telewizji, ale też jako rejestratory obrazu w pierwszych satelitach (np. Voyager 1).
 Eric Fossum przy sondzie Voyager 1 (publikacja zdjęcia za zgodą Erica Fossuma) |
Lata 50 i 60 XX wieku to dynamiczny rozwój technologii przyrządów półprzewodnikowych. W Bell Labs powstaje MOSFET (ang. metal-oxide-semiconductor field effect transistor) - tranzystor polowy, konstrukcja którego dziś jest najbardziej spopularyzowaną na świecie. Staje się on później bazą dla technologii wytwarzania układów scalonych - dzięki pomysłowi Franka Wanlassa w 1963 powstaje CMOS (ang. Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
Pod koniec lat 60 XX wieku naukowcy pracujący nad alternatywą dla vidiconów zaprezentowali pomysł użycia półprzewodników i zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. W porównaniu do kliszy filmowej czy vidiconów rozwiązanie to miało bardzo ważną zaletę - z fizycznego punktu widzenia jeden foton przetwarzany jest na jeden elektron, którego detekcja jest możliwa. Dzięki temu naukowcy pozyskali narzędzie, które umożliwiło bliższe przyjrzenie się zachowaniu strumienia światła - zaczęto dokładniej wykreślać krzywą PTC (ang. Photon Transfer Curve) pokazującą sposób transferu fotonów w prąd elektryczny.
W 1969 roku został opracowany prototyp sensora półprzewodnikowego z macierzą pikseli, z których każdy był zbudowany z fotodiody i tranzystora będącego wzmacniaczem sygnału - to pierwsza konstrukcja celi zwana pasywną. Warto wspomnieć, że technologia produkcji scalonych układów półprzewodnikowych w tamtych czasach nie była zbyta zaawansowana - bazowała ona na fotolitografii, której rozdzielczość determinowała tak zwany proces produkcyjny (znany nam jako wartość liczbowa, np 10 nm). A jak wiemy, rozdzielczość jest silnie powiązana ze zjawiskiem dyfrakcji, która to zależy od długości fali.
 Oryginalne zapiski struktury CCD |
W tym samym czasie dwóch pracowników firmy Bell pracowało nad problemem usprawnienia transportu ładunku w pamięciach bąbelkowych. Pamięci te, jako nieulotne, przechowują bity informacji w postaci ładunku elektrycznego w tzw. bąbelkach materiału magnetycznego.
Ich pomysł bazuje na równomiernym rozłożeniu elektrod oddzielonych warstwą izolatora od materiału magnetycznego tak, że odpowiednie sterowanie nimi powoduje przesuwanie ładunków pomiędzy elektrodami, jednocześnie umożliwiając transportowanie ich w obrębie struktury pamięci.
 Konferencja prasowa po wręczeniu nagrody nobla w 2009 roku |
Panowie Willard Boyle i George Smith, opisując potencjalne możliwości użycia takiego sterowania do stworzenia pamięci układu opóźniającego lub sensora światłoczułego, przyczynili się do powstania matrycy CCD (ang. Charge Coupled Device). W 1972 roku, Shigeyuki Ochi z Sony Research Lab, kontynuując zarzucony projekt Bell Labs, konstruuje pierwszy detektor - to matryca o rozdzielczości 8x8 pikseli. Rok później Fairchild Semiconductors prezentuje dwuwymiarową konstrukcję o rozdzielczości 100 x 100 pikseli - układ CCD201ADC. W 1975 roku, bazując na tym sensorze, firma Kodak opracowuje pierwszy elektroniczny aparat fotograficzny. Trzy lata wcześniej, w 1971 roku, firma Intel przedstawiła pierwszy na świecie monolityczny 4-bitowy mikroprocesor półprzewodnikowy. Oznaczony symbolem 4004 układ scalony zbudowany był z 2300 tranzystorów i wykonany w technologii 10 um. Konstrukcyjnie zatem możemy go przyrównać do sensora światłoczułego o wielkości 766 pikseli, czyli niewiele mniej niż siatka 30 x 30 pikseli.
 Procesor Intel 4004, źródło Wikimedia Commons |
Około roku 1974 powstają pierwsze procesory 8-bitowe Mostek 6502, Motorola 6800 oraz Intel 8080, a później Zilog Z80 - będące podstawą późniejszej rewolucji informatycznej. Układy te zawierały około 5000 tranzystorów, zbyt mało na zbudowanie konsumenckiego sensora światłoczułego. Jednocześnie okazuje się, że tworzenie siatki z elektrod według pomysłu Boyla i Smitha jest stosunkowo łatwe - rozwój matryc CCD eksploduje. Pod koniec 1976 roku powstaje matryca o rozdzielczości 800 x 800 pikseli - więcej niż wymaga sygnał telewizyjny (dla sygnału PAL to 720 × 576, a dla NTSC 640 × 482). Niedługo po tym firma Sony uruchamia masową produkcję matryc półprzewodnikowych dla swoich kamkorderów. Lampy analizujące ustępują miejsca półprzewodnikowym matrycom CCD. Cyfrowe obrazowanie rozwija się w niesamowitym tempie. Z czasem coraz więcej firm zaczyna produkować matryce CCD.
 Pierwszy komputer w cenie poniżej 100 funtów. |
Początek lat 80. XX stulecia to nagły rozwój tanich domowych mikrokomputerów zapoczątkowany przez Sir Clive’a Sinclaira i jego komputer ZX80. Od tego momentu możemy obserwować rozwój rynku komputerów, który z każdym rokiem przyspieszał, oferując szybsze i tańsze rozwiązania - rynek napędzał rozwój technologii.
 Wycinek z oryginlnengo wniosku patentowego technologii CMOS |
Koniec lat 80. XX w. to też ustabilizowanie technologii CMOS - opatentowana w 1963 roku przez Franka Wanlassa musiała czekać prawie ćwierć wieku na możliwość zastosowania na powszechną skalę. Świat mikroelektroniki wstępuje w erę niskonapięciowych i energooszczędnych układów CMOS. Powstawały coraz lepsze procesory, zbudowane z coraz większej liczby tranzystorów (w 1993 roku firma Intel przedstawia procesor Pentium zbudowany z 3 mln tranzystorów).
Optyczne.pl jest serwisem utrzymującym się dzięki wyświetlaniu reklam. Przychody z reklam pozwalają nam na pokrycie kosztów związanych z utrzymaniem serwerów, opłaceniem osób pracujących w redakcji, a także na zakup sprzętu komputerowego i wyposażenie studio, w którym prowadzimy testy.