Fysik: Världen blir aldrig densamma igen

Halva priset går till den amerikanske ingenjören Jack Kilby, mannen som uppfann den integrerade kretsen, det s k chipset. Resten delar amerikanen Herbert Kroemer och ryssen Zhores Alferov som på var sitt håll kom med idén om halvledarlasern. Och redan tidigare hade Kroemer uppfunnit en ny ultrasnabb transistor.

Utan chipset inga datorer och utan halvledarlasern ingen modern telekommunikation. Det är alltså grundbultarna i IT-världen som får Nobelpriset som i år ovanligt nära följer Alfred Nobels vilja att belöna upptäckter som ”…hafva gjort menskligheten den största nytta”.

Trots detta har kritiken inte låtit vänta på sig: det är ingenjörskonst och inte vetenskapliga upptäckter som får pris; det är tidstypiskt att ge Nobelpriset till forskning som drivits med kommersiella förtecken. Kanske det. Men vi vet att dessa upptäckter var epokgörande. Det är inte längre stål och cement utan storleken på informationsflödet som anger måttet för samhällsutvecklingen i dag. Och för att informationens motorvägar inte ska proppa igen behövs allt snabbare elektronik. Dessutom förminskad så att den får plats inuti bilar, datorer, kylskåp, ja, inuti allting runt oss, till och med i mobiltelefonen i fickan.

Så byttes stål mot kisel

Årets Nobelpristagare kunde knappast föreställa sig en sådan omvälvande utveckling och ännu mindre den mängd prylar som alla fylls och drivs av mikroelektroniken. Det började med transistorn – byggstenen i all modern elektronik som föddes på 1940-talet. Den görs i halvledarmaterial, ett mellanting mellan en elektrisk ledare och en isolator. Transistorn används antingen som förstärkare eller som digital strömbrytare i logiska kretsar: på eller av, ett eller noll. Från början användes germanium, men det ersattes snart av kisel – ett av våra vanligast förekommande grundämnen som i form av kvarts utgör nästan en tredjedel av jordens skorpa. Ungefär 3 000 ton av kristallint kisel, en förädlad form som krävs i elektronikindustrin, produceras i världen årligen.

Snart fanns det transistorer överallt och elektroniken blev alltmer komplicerad – det blev kvinnogöra att på löpande band felfritt koppla samman alla minikomponenterna: transistorer, motstånd, dioder, kondensatorer. Mot slutet av femtiotalet nådde man nästan gränsen för hur sofistikerade de elektroniska kretsarna kunde bli, medan både rymdtekniken och vapenindustrin krävde alltmer avancerade system.

Jack Kilby kom till Texas Instruments i maj 1958 med syftet att krympa den existerande elektroniken, och sin banbrytande upptäckt gjorde han nästan direkt. Som nyanställd var han ensam kvar på jobbet – alla hade sommarledigt utom den nyanställde Kilby som inte hade några semesterdagar än. Första skissen på en integrerad krets finns i Kilbys dagbok från den sommaren.

Miniatyriseringen låg i luften, och det var många som samtidigt klurade över hur man bäst kan packa ihop transistorerna med andra elektriska komponenter – ett pussel som Kilby löste med en radikal idé: gör alla komponenter i ett stycke, utmejslade i kisel. I många år blev han sedan invecklad i en patentstrid med Robert Noyce som löste problemet på ett likartat sätt bara kort tid efter Kilby. Det var också Noyce, och hans företag Intel, numera ett av de största i världen, som snabbast fann en bra teknik att tillverka chips.

I dag masstillverkas integrerade kretsar, och fabrikerna ser mer ut som avancerade laboratorier än traditionella industrier. I sterila rum under datorövervakning läggs omväxlande tunna skikt av ledare, halvledare och isolatorer ihop. De kan vara mellan några atomlager till flera mikrometer tjocka. Bearbetningen sker i flera steg, och detaljerna i chipsteknologin är företagens välbevarade hemligheter. Utvecklingen har gått från några få transistorer i de första integrerade kretsarna till dagens över 100 miljoner transistorer hopbyggda i en enda krets, i laboratoriet har man nått upp till miljarden. Den ekonomiska tillväxten har följt efter.

Så omvandlades kisel till guld

Men halvledare av kisel visar sig inte vara tillräckligt snabba och numera skräddarsys halvledare för speciella behov. Det var en av de två andra Nobelpristagarna – Herbert Kroemer – som redan 1957 kom med idén att skapa s k heterostrukturer, transistorer som består av flera atomlager med olika egenskaper. Atomlagren staplas på varandra som i en smörgåstårta, och på så sätt slipper man leta efter lämpligt halvledarmaterial – man tillverkar ett själv. Galliumarsenid (GaAs) och aluminumgalliumarsenid (AlGaAs) visar sig passa utmärkt för att elektronerna lätt och snabbt ska röra sig mellan atomskikten. De snabba transistorerna utgör i dag hjärtat i satellitkommunikationen och mobiltelefonin.

Nobelpristagaren Zhores Alferov (och även Kroemer) föreslog på 1960-talet att heterostrukturerna också skulle utnyttjas som ljuskällor. Så föddes halvledarlasern vars ljus i dag fyller alla de fiberoptiska nät som transporterar nästan all telefoni och datatrafik kors och tvärs över världen. Utan halvledarlasern inget Internet, inget bredband. De första halvledarlasrarna lyste i infrarött, sedan lyckades man tillverka även röda och gröna ljuskällor. Och för bara några år sedan kom också blåljuslasern – med de kortare blå våglängderna kan ännu mer information packas ihop på t ex en CD-skiva. Utan halvledarlasern, heller inga CD- eller DVD-spelare.

Utvecklingen av chipset har följt något som kallas för Moores lag efter Gordon Moore från Intel som i början av 1960-talet förutspådde att antalet transistorer per chips skulle fördubblas var artonde månad. Och under de senaste 28 åren ökade chipsets kapacitet faktiskt 64 000 gånger! Denna oerhörda tillväxt hänger tätt ihop med den ekonomiska tillväxten där marknaden för chips fördubblas ungefär vart femte år.

Detta är dock ingen av naturen given utveckling, och det pågår en ständig diskussion om vad som till slut kommer att hämma den. Dels kan ekonomin bli en begränsande faktor då produktionskostnaden ökar snabbare än chipskapaciteten – den fördubblas för varje ny generation chips. Dels finns det fysikaliska begränsningar för hur mycket man kan krympa chipsen. I dag flyter cirka 1 000 elektroner i varje transistor. Om 10 år blir det kanske bara några få elektroner som utför det logiska arbetet och efter ytterligare tio år, om utvecklingen fortsätter i samma tempo, blir det knappt en enda elektron kvar. Fast då slår kvanteffekterna till, och det kan bli omöjligt att skilja läge noll från läge ett i den digitala kretsen. Kanske blir det kvantfysikens principer som ska lägga grund för den framtida elektroniken.

Vem vet, kanske något helt nytt är i antågande. Så på sätt och vis samtidigt som årets Nobelpris belönar upptäckter i IT-epokens gryning sätter den också punkt för informationserans första kapitel. Ett kapitel som på fyrtio år förändrade världen.