Málokdo ví o zásluhách NASA na vývoji integrovaných obvodů

Když jsme si 20. července 2019 připomínali 50. výročí přistání člověka na Měsíci, málokdo si už tuto událost spojoval s obrovským pokrokem v oblasti integrovaných obvodů, která se ze své počáteční fáze rozjela naplno právě díky projektu Apollo.

Polovodiče byly v 60. letech minulého století stále ještě novinkami v elektronice a pro náročné použití, jako v případě pilotovaných letů Apollo na Měsíc, nebyly ani dostatečně otestovány. A přece se agentura NASA rozhodla použít právě polovodičové čipy, a to jak v řídicích počítačích Apollo Guidance Computer, tak i v jiných zařízeních použitých pro vesmírné lety. Výsledkem byl prudký vzestup polovodičového průmyslu a vznik Silicon Valley.

NASA byla tehdy první a největší spotřebitel polovodičových součástek [1]. Mezi lety 1962 až 1967 koupila více než milion čipů. První čipy, které byly pro NASA testovány, stály tisíc dolarů za kus. V době, kdy člověk přistál na Měsíci, klesla cena na patnáct dolarů za kus. Tento princip dramaticky zvýšené funkčnosti za méně peněz, který byl předpovězen v roce 1965 (Moore’s Law), řídil od té doby inovaci polovodičové techniky.

Je také nutné říci, že by se možná nic takového nestalo, nebýt masivní podpory ze strany americké vlády, pro kterou byl let na Měsíc prestižní záležitostí.

Zpět do historie

I když byl první integrovaný obvod vynalezen již v roce 1958 (Jack Kilby, Texas Instruments), nebyl v původní podobě vhodný pro masovou výrobu, protože měl externí spoje. Ale již o rok později přišel Robert Noyce z Fairchild Semiconductors (a pozdější zakladatel Intelu) s vynálezem monolitického obvodu, který měl všechny součástky na křemíkovém čipu, navzájem propojené měděnými spoji. Pojem „mikročip“ byl na světě [2].

První komerční integrovaný obvod, který měl naději na praktické použití, by vyvinut, vyroben a nabízen až v roce 1961. Jednalo se o NOR hradlo se třemi tranzistory a čtyřmi rezistory v pouzdře TO-5, které se podobalo miniaturní plechovce s šesti drátěnými vývody. Prodejní úspěch se nedostavil, a kdo ví, jak by to celé skončilo, nebýt oznámení prezidenta Kennedyho téhož roku o plánu dopravit člověka na Měsíc do konce desetiletí. Celý projekt, který nesl označení Apollo, se završil v červnu 1969 letem Apolla 11.

Pochopitelně, že úkol vyslat člověka na Měsíc si vyžadoval zcela novou techniku, mimo jiné i malou a lehkou naváděcí jednotku, která dostala označení Apollo Guidance Computer (AGC). Jejím úkolem byl výpočet trasy letu a řízení Apolla v reálném čase. NASA zadala požadavek na tuto jednotku známému institutu MIT (Massachusetts Institute of Technology). Udivení bylo na všech stranách, protože každý očekával, že první smluvní kontrakt NASA na dodávku zařízení se bude týkat něčeho hodně velkého, a ne malé krabice s elektronikou.

První funkční verze naváděcí jednotky vyplnila rozvaděče o velikosti 6 velkých chladniček. Aby byla dodržena požadovaná nízká hmotnost i malé rozměry, přesvědčil institut MIT agenturu NASA, aby byly použity tehdy ještě ne zcela prověřené integrované obvody. Bylo to poměrně riskantní rozhodnutí, protože s uplatněním integrovaných obvodů v praxi nebyly zkušenosti a pozdější změny by nebyly z časových důvodů možné. V roce 1963 spotřeboval MIT při vývoji a testování naváděcí jednotky 60 % všech dostupných integrovaných obvodů v USA. Každá jednotka používala 4100 integrovaných obvodů typu NOR hradla se třemi vstupy v ceně 20–30 dolarů za kus. Důvodem, proč byl naváděcí počítač zhotoven s použitím velkého množství jednoho typu IO, byl lepší výsledek odhadu spolehlivosti – jeden typ součástky mohl být testován ve velkém množství vyrobených naváděcích jednotek. Při spotřebě 200 tisíc IO byl Apollo Guidance Computer největší spotřebitel integrovaných obvodů až do roku 1965. Vyvinutá naváděcí jednotka byla vyráběna společností Raytheon, která byla ve světě známá více jako vynálezce mikrovlnné trouby než jako dodavatel vojenské techniky.

Naváděcí jednotka byla ještě doplněna o integrovaný obvod analogového zesilovače od Fairchild a Signetics s 6 tranzistory a 8 rezistory pro detekci výstupních signálů použitých magnetických pamětí. Byl to jeden z prvních analogových IO vůbec a vyznačoval se velkou přesností, přičemž nahrazoval 16 původních analogových modulů z diskrétních součástek.

Vyrobit konečné provedení naváděcí jednotky nebylo vůbec jednoduché, protože do 0,0566 m³ bylo potřeba stěsnat více než 4 tisíce IO, elementy magnetických pamětí a spoustu drátů.

Konkurenční dodavatelé počítačů kritizovali rozhodnutí používat integrované obvody s ohledem na nedostatek důkazů o jejich spolehlivosti [3]. Zdrženlivá NASA, která ale byla současně přesvědčena o jejich budoucích výhodách, proto požadovala po institutu MIT, aby integrované obvody prošly náročnými testy a u jejich dodavatelů byla kontrolována kvalifikace, výrobní postupy a použitá zařízení.

Naváděcí jednotka Apollo Guidance Computer byla na počátku 60. let nejvýznamnějším projektem s integrovanými obvody, který výrazně ovlivnil jejich další vývoj. Firma Texas Instruments přišla s novými planárními obvody s nízkou spotřebou určenými pro další zařízení agentury NASA – Optical Aspect Computer pro satelity. Binární čítače SN510 a SN514, flip-flopy a další obvody vynesl satelit do vesmíru již v roce 1963. V roce 1962 uzavřela firma Texas Instrument kontrakt na dodávku 22 uživatelských obvodů pro naváděcí systém raket Minuteman II, který se později v roce 1965 stal největším spotřebitelem IO, a předběhl tak spotřebu NASA [4].

Použití integrovaných obvodů v projektech NASA na počátku 60. let minulého století dalo dalšímu vývoji a výrobě integrovaných obvodů velmi silný impulz, který umožnil, aby se polovodičový průmysl rozběhl na plné obrátky.

A jedna zajímavost nakonec – prvním komerčně vyráběným produktem s čipy bylo naslouchátko pro osoby s poruchou sluchu. To se psal rok 1963.