चिप-चरित्र: सेमीकंडक्टर चिपचं अंतरंग

पूर्वीच्या संगणकसदृश यंत्रांमध्ये निर्वात नलिकांतले दिवे मिणमिणायचे.. त्याऐवजी अर्धवाहक पदार्थाचा वापर कसा सुरू झाला?

सेमीकंडक्टर चिप (ज्यांना औपचारिकपणे ‘इंटिग्रेटेड सर्किट’ किंवा ‘आयसी’ असं संबोधलं जातं) या आपल्या आजूबाजूला दिसणाऱ्या सर्व डिजिटल आधुनिक उपकरणांचा व त्यामागील तंत्रज्ञानाचा पाया आहेत. पडद्यामागे राहून नाटक किंवा चित्रपटाचा अपेक्षित परिणाम साधण्यासाठी झटणाऱ्या दिग्दर्शकाप्रमाणे चिपचं कार्य, त्यांचा वापर होत असलेल्या नागरी किंवा लष्करी वापराच्या प्रत्येक उपकरणाचं काम चोखपणे पार पडावं म्हणून अथकपणे चालू असतं.

एकविसाव्या शतकात मानवाचं चिपवरील अवलंबित्वदेखील दिवसागणिक वाढतच चाललं आहे. २०२२ साली अमेरिकेत झालेल्या एका सर्वेक्षणानुसार एक सरासरी प्रौढ अमेरिकी व्यक्ती दिवसाचे १२ ते १४ तास इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांना (संगणक, मोबाइल फोन, टीव्ही किंवा मोटारगाडी) हाताळण्यात घालवते आणि सेमीकंडक्टर चिपशिवाय यातील एकही उपकरण क्षणभरासाठीसुद्धा चालणार नाही. विश्वास ठेवायला अवघड वाटेल पण आजघडीला मिळणाऱ्या कोणत्याही नाममुद्रेच्या चारचाकी मोटारीत किमान १००० ते कमाल ३००० चिप लागतात. कोविडकाळात, २०२०-२१ साली जेव्हा चिपचा तुटवडा निर्माण झाला तेव्हा एकटय़ा अमेरिकेच्या वाहन उद्योगाकडून ७५- ८० लाख कमी गाडय़ांचं उत्पादन झालं ज्यामुळे त्या उद्योगाचा तब्बल २१००० कोटी अमेरिकी डॉलर एवढा महसूल केवळ एका वर्षांत बुडाला होता. जगभरातील जवळपास सर्वच उद्योगांच्या कार्यक्षमतेवर व त्यांच्या यशापयशावर लक्षणीय प्रभाव पाडणारं सेमीकंडक्टर चिप तंत्रज्ञान म्हणजे काय आणि ते नेमकं कसं कार्य करतं याचं विश्लेषण आपण या आणि पुढील काही लेखांत करणार आहोत.

सर्वप्रथम हे समजून घेतलं पाहिजे की ‘सेमीकंडक्टर’ हे काही तंत्रज्ञान नाही. सेमीकंडक्टर किंवा अर्धसंवाहक हा काही वैशिष्टय़पूर्ण गुणधर्म असलेल्या धातूसदृश पदार्थाचा (ज्यांना ‘मेटलॉइड’ असं संबोधलं जातं) एक गट आहे. सामान्यत: पृथ्वीवर आढळणारे धातू किंवा इतर मूलद्रव्य दोन गटांत मोडतात : (१) ज्यातून विद्युतप्रवाह मुक्तपणे वाहू शकतो (उदा. तांब्याची तार) किंवा (२) जे विद्युतप्रवाहाला संपूर्णपणे अटकाव करतात (उदा. काच). पण सेमीकंडक्टरचं काम मात्र थोडय़ा वेगळय़ा प्रकारे चालतं. सामान्य परिस्थितीत कोणताही सेमीकंडक्टर पदार्थ (सिलिकॉन किंवा जर्मेनियम इत्यादी) आपल्यामधून विद्युतप्रवाहाचं वहन होऊ देत नाही. पण सेमीकंडक्टर पदार्थात जर फॉस्फरससारखा अधातू (नॉन-मेटल) मिसळला आणि त्याभोवती विद्युत क्षेत्र तयार केलं, तर मात्र त्यातून विद्युतप्रवाह मुक्तपणे वाहण्यास सुरुवात होते.

वाचकांपैकी अनेकांना हे माहिती असेल की संगणक किंवा गणना करू शकणारं कोणतंही उपकरण विदेचं (डेटा) संकलन, पृथक्करण किंवा साठवणुकीसाठी द्विमान (बायनरी) गणन पद्धतीचा वापर करतं. १९४० – ५०च्या दशकातील प्राथमिक संगणकापासून आजच्या युगातल्या सुपर कॉम्प्युटरलादेखील सर्व आज्ञा द्विमान पद्धतीतच द्याव्या लागतात. आपल्या संगणक किंवा मोबाइल फोनवर कोणत्याही स्वरूपात (ई-मेल, फोटो, व्हिडीओ अथवा कोणतीही फाइल) उपलब्ध असलेली विदा ही अखेरीस कोटय़वधी ‘०’ व ‘१’ अंकांचा वापर करूनच साठवलेली असते.

वास्तविक कोणत्याही चिपमध्ये या दोन संख्या (‘०’ आणि ‘१’) प्रत्यक्षात अस्तित्वात नसतातच. आधी म्हटल्याप्रमाणे सेमीकंडक्टरच्या विद्युत संवाहनाच्या विशिष्ट भौतिक गुणधर्माचा खुबीनं वापर करून त्याचा ‘स्विच’ तयार केला की काम सोपं होतं. जेव्हा विद्युतप्रवाहाला संपूर्णपणे अवरोध केला आहे अशा ‘स्विच बंद’ असलेल्या स्थितीला शून्य (०) स्तर आणि जेव्हा विद्युतप्रवाहाचं वहन नियमितपणे चालू आहे अशा ‘स्विच चालू’ असलेल्या स्थितीला एक (१) स्तर म्हणून द्विमान पद्धतीनं विदा साठवता येते.

डिजिटल उपकरणांत विराजमान झालेल्या कोणत्याही चिपमध्ये अक्षरश: असे कोटय़वधी स्विचेस असतात, ज्यांना औपचारिकपणे ‘ट्रान्झिस्टर’ असंही म्हटलं जातं. आज उपलब्ध असलेल्या अत्याधुनिक चिपचा आकार हा केवळ काही मिलीमीटर एवढाच असला (५ ते १० मिमी लांबी व रुंदी आणि १ मिमी जाडी) तरी त्यात तब्बल पन्नास हजार ते एक लाख कोटी एवढे ट्रान्झिस्टर असतात. अ‍ॅपलच्या आय-फोनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या ‘एम २ अल्ट्रा’ या चिपमध्ये जवळपास एक लाख चौतीस हजार कोटी एवढे ट्रान्झिस्टर आहेत. जरा विचार करा की आपल्या हाताच्या एका बोटावर मावणाऱ्या चिपवर जर काही हजार कोटी ट्रान्झिस्टर असतील तर एका ट्रान्झिस्टरचा आकार किती असेल? अ‍ॅपलचंच उदाहरण द्यायचं झालं तर आय-फोनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या ‘लॉजिक चिप’ मधल्या एका ट्रान्झिस्टरचा आकार करोना विषाणूच्या अध्र्याहूनही कमी आहे. चिपचं डिझाइन व त्याची उत्पादन प्रक्रिया खर्चीक व अत्यंत गुंतागुंतीची का आहे हे यावरून समजू शकेल.   

सेमीकंडक्टर चिप तंत्रज्ञानाचा शोध लागण्यापूर्वीही गणनक्षमता असणारी उपकरणं उपलब्ध होती. त्यांच्यात व्हॅक्युम टय़ूब किंवा निर्वात नलिकांचा वापर होत असे. या नलिका म्हणजे एक प्रकारे छोटय़ा आकाराचा काचेच्या पेटीत बसवलेला विजेचा दिवाच जणू! त्यातून विद्युतप्रवाह गेला तर ‘०’ नाहीतर ‘१’ अशा प्रकारे माहिती- साठवण करण्याची पद्धत वापरली जात होती.

निर्वात नलिकांमध्ये अनेक मर्यादा होत्या. एक म्हणजे त्यांचा देखभाल खर्च प्रचंड होता. शेवटी निर्वात नलिका हा विजेचा दिवा असल्यामुळे त्यातील धातूची तार बऱ्याचदा तुटायची. तसंच त्यांच्या आकारामुळे एका संगणकात किती निर्वात नलिका बसवता येतील याला एक मर्यादा होती. त्याचप्रमाणे विजेच्या दिव्यांची उघडझाप होत असल्यानं, विशेषत: रात्री अनेक कीटक त्यांच्यावर चालून येत, म्हणून मग संगणकाच्या कामात बाधा यायची. थोडक्यात निर्वात नलिकांचा वापर करून अत्यंत मर्यादित स्वरूपाचीच आकडेमोड करता येणं शक्य होतं.

सेमीकंडक्टरच्या गुणधर्माचा गणनयंत्रांमध्ये ‘०’ किंवा ‘१’ साठविण्याकरिता एक ‘ट्रान्झिस्टर स्विच’ म्हणून उपयोग करता येईल ही नावीन्यपूर्ण कल्पना अमेरिकेतल्या ‘बेल लॅब्स’ प्रयोगशाळेत काम करणाऱ्या विल्यम शॉकली या शास्त्रज्ञाला सर्वप्रथम सुचली. १९४५ मध्ये त्यानं सिलिकॉनचा वापर करून त्याच्या विद्युत संवाहनासंदर्भात केलेल्या प्रयोगांनुसार ‘स्विच’ची संकल्पना मांडली. याच संकल्पनेनं प्रेरित होऊन त्याचे बेल लॅब्समधले सहकारी शास्त्रज्ञ वॉल्टर ब्रॅटन आणि जॉन बार्डीन यांनी शॉकलीनं मांडलेल्या सिद्धान्ताचा वापर केला आणि जर्मेनियम या अर्धसंवाहक पदार्थापासून एक ‘स्विच’ बनवला.       

१९४८मध्ये जेव्हा बेल लॅब्सनं या शोधाची जाहीर वाच्यता करण्यासाठी पत्रकार परिषद घेतली त्या वेळी मुख्य प्रवाहातल्या एकाही वृत्तपत्र समूहानं या वृत्ताला विशेष महत्त्व दिलं नाही. सेमीकंडक्टर पदार्थामध्ये काही विशिष्ट मूलद्रव्यांचं मिश्रण करून (ज्याला ‘डोपिंग’ असंही म्हटलं जातं) आणि या मिश्रणाला विद्युत क्षेत्राची जोड देऊन जो ‘स्विच’ तयार झाला तो एक वैज्ञानिक प्रयोग म्हणून दखलपात्र असला तरी त्याचं उत्पादन निर्वात नलिकांपेक्षा कमी किमतीत करता येईल का व जरी केलं तरी त्याला काही व्यावहारिक मूल्य असेल का याबाबतीत एक शॉकली वगळता बेल लॅब्समधील सर्वानाच साशंकता होती.

आजघडीला एका वर्षभरात सेमीकंडक्टर उद्योगाचा जागतिक स्तरावरचा महसूल हा तब्बल ६०,००० कोटी अमेरिकी डॉलर एवढा आहे. १९४८ मध्ये निर्मिलेल्या केवळ एका ट्रान्झिस्टर स्विचपासून आज सेमीकंडक्टर चिप उद्योगाचा जो एक डेरेदार वटवृक्ष तयार झाला आहे त्यावरून या उत्पादनाच्या उपयुक्ततेबद्दलची शॉकलीची अटकळ अत्यंत अचूक होती असंच म्हणावं लागेल. १९५५ मध्ये शॉकलीनं या शोधाचा व्यावहारिक वापर करून नफा कमविण्यासाठी ‘शॉकली सेमीकंडक्टर’ या कंपनीची अमेरिकेच्या कॅलिफोर्निया राज्यात स्थापना केली. पुढे १९५६ सालात शॉकली, ब्रॅटन आणि बार्डीन या एकेकाळच्या बेल लॅब्समधल्या सहकारी त्रिकुटाला ट्रान्झिस्टर स्विचच्या शोधासाठी भौतिकशास्त्राचं नोबेल पारितोषिक जाहीर झालं!

ट्रान्झिस्टरच्या शोधानंतरही हे क्षेत्र बाल्यावस्थेतच होतं. या शोधाच्या अर्थपूर्ण वापरासाठी अनेक ट्रान्झिस्टर्सचं कार्यक्षम पद्धतीनं एकत्रीकरण करणं अत्यावश्यक होतं. त्यानंतरच त्यात मोठय़ा प्रमाणात गणनक्षमता आणि विदा साठवणुकीची क्षमता निर्माण होऊ शकणार होती. ‘ट्रान्झिस्टर स्विच’चा इंटिग्रेटेड सर्किट (आयसी) पर्यंतचा प्रवास कसा झाला? याबद्दल पुढल्या सोमवारी!