Die ersten integrierten Schaltkreise Jack Kilby und Robert Noyce: Die Väter der modernen Computerchips

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Jack Kilby und Robert Noyce – zwei Namen zweier Männer, die die Welt der Elektronik revolutionierten. Wir werfen einen Blick auf die Lebensläufe und wegweisenden Beiträge dieser beiden Pioniere, deren Erfindungen die Grundlage für den modernen Computerchip legten und die digitale Revolution maßgeblich beeinflussten.

Elektrische Schaltungen befinden sich heutzutage, wie selbstverständlich, miniaturisiert in kleinen Chips, wo sie geschützt vor äußeren Einflüssen auf Platinen mit anderen Chips und elektronischen Bauteilen über Kontakte am Chip eingebaut werden können. Die dafür entscheidende Erfindung war der integrierte Schaltkreis, auch IC (Integrated Circuit) abgekürzt. Wir blicken auf die Details zu dieser Innovation und die beiden Männer, die, unabhängig voneinander, dahinterstanden, nämlich Jack Kilby und Robert Noyce. 

Beide Persönlichkeiten hatten freilich auch noch andere Errungenschaften in ihrem Leben vorzuweisen – Robert Noyce war unter anderem Mitbegründer von Intel, und mit Noyce starten wir nun auch. Geboren wurde er am 12. Dezember 1927 in der kleinen Stadt Burlington im US-Bundesstaat Iowa. Nach seiner Schulzeit studierte er Physik und machte seinen Bachelor im Jahr 1949 am College in Grinnell, Iowa. Er erwarb 1953 seinen Doktortitel am MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA). 

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Robert Noyce gründet Fairchild Semiconductor

Bis zum Jahr 1956 arbeitete Noyce schließlich für die Firma Philco in Philadelphia (Pennsylvania), die Rundfunkempfänger entwickelte und herstellte. Danach arbeitete er im Technikunternehmen Beckman Instruments, und zwar im vom Nobelpreisträger William B. Shockley geführten Halbleiter-Labor. Der hatte im selben Jahr den Nobelpreis für Physik für seine Forschung im Halbleitersegment erhalten. Zwischen Shockley und seinen Mitarbeitenden kam es scheinbar häufiger zu Meinungsverschiedenheiten.

Denn Noyce sowie auch sieben weitere Mitarbeiter des Labors waren mit Shockleys Führungsstil nicht einverstanden. Er verließ daher schon im Jahr 1957 zusammen mit den sieben weiteren unzufriedenen Mitarbeitern die Firma und gründete das Unternehmen Fairchild Semiconductor. Noyce und seine sieben Mitstreiter wurden als Traitorous Eight bekannt, also die verräterischen Acht, da sie allesamt gemeinsam das Halbleiter-Labor von Beckman Instruments verlassen hatten, um mit ihrem Know-how die neue Firma zu gründen.

The Shockley Eight – Unternehmer wider Willen

Der Durchbruch: Noyce entwickelt eine integrierte Schaltung

1959 gelang es bei Fairchild Semiconductor erstmals, einen monolithischen, integrierten Schaltkreis zu bauen. Die Basis hierfür war die sogenannte Planartechnik, die einer der Traitorous Eight, nämlich der Physiker und Mathematiker Jean Hoerni, entwickelt hatte. Durch die Planartechnik konnte man mithilfe von Fotolithografie, Ätzen und Diffusion kleinste Schaltbauteile wie Transistoren, Dioden und Widerstände auf einem Substrat aus Silizium platzieren.

Was den gesamten Prozess angeht, durch den schlussendlich ein erster Chip mit integriertem Schaltkreis entstand, so gilt Robert Noyce als der Hauptakteur. Er wird daher neben Kilby, zu dem wir gleich noch kommen, als einer von zwei Erfindern des integrierten Schaltkreises bezeichnet. Doch wie kommt nun Jack Kilby mit ins Spiel? Um dies zu klären, verlassen wir vorerst den Lebenslauf von Robert Noyce.

Jack Kilby: Frühes Leben und Anstellung bei Texas Instruments

Am 8. November 1923 erblickte Jack Kilby das Licht der Welt, und zwar in Jefferson im US-Bundesstaat Missouri. Zur Schule ging er in Kansas, er studierte an der University of Illinois am Standort Urbana-Champaign das Fach Elektrotechnik und machte 1950 schließlich seinen Masterabschluss an der Universität von Wisconsin. Den Durchbruch hatte Kilby dank seines Jobs beim Computerhersteller Texas Instruments, den er 1958 antrat. Als Neuangestellter hatte Kilby allerdings eine Urlaubssperre – er hatte daher während des Sommers viele Laborkapazitäten für sich zur Verfügung, da große Teile der Belegschaft im Gegensatz zu ihm im Urlaub waren.

Kilbys Antrieb war es, ein damals großes Problem zu lösen, das die immer komplizierter werdenden Schaltungen mit sich brachten. Denn je mehr Bauteile es für den Bau eines Computers gab, desto mehr Drähte und Lötpunkte benötigte man, um die Komponenten mühsam per Handarbeit miteinander zu verbinden; ein Problem, das auch als „Tyranny of numbers“ bekannt ist. Kilbys Ansatz und Idee, die prophezeite Eskalation der Drähte und Lötpunkte zu verhindern, war es, Schaltungen auf Halbleitern umzusetzen und dabei Kondensatoren, Transistoren und Widerstände zu einem einzigen Bauteil verschmelzen zu lassen.

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Historischer Meilenstein statt Urlaub

Schon im September des Jahres 1958 konnte Jack Kilby seinen Prototyp präsentieren – sein erster integrierter Schaltkreis war in etwa so groß wie eine Büroklammer und hatte auf einem kleinen Stück Germanium als Halbleitersubstrat eine Schaltung integriert. Mit diesem Ur-Chip konnte Kilby auf Knopfdruck eine Sinuskurve erzeugen, wie man auf dem Oszilloskop sehen konnte. Auch der damalige Präsident von Texas Instruments, Mark Shepherd, war bei der Präsentation anwesend und sah in Kilbys Entwicklung einen Durchbruch, da man Schaltungen und die nötigen Verbindungen der filigranen Bauteile in den Halbleiter integrieren konnte. Anfang 1959 wurden alle nötigen Unterlagen zu Kilbys integrierten Schaltung beim Patentamt eingereicht.

Es dauerte allerdings einige Jahre, bis die integrierten Schaltkreise bei Texas Instruments auch erfolgreich in Produkten eingesetzt wurden, und viele kennen den Namen Texas Instruments vermutlich auch genau wegen des dazugehörigen Produktes: der elektronische Taschenrechner. Kilby selbst hatte im Jahr 1966 den ersten elektronischen Taschenrechner erfunden und dafür seine integrierten Schaltkreise verwendet.

Texas Instruments nutzte diesen Rechner allerdings nur zur Vermarktung der Chips – eigene Taschenrechner stellte das Unternehmen erst später her. In den Folgejahren wurden die auf dem Prinzip von Kilbys integrierten Schaltkreis basierenden Chips immer komplexer und bei ansonsten vergleichbaren Funktionen auch gleichzeitig immer kleiner, was selbst Jack Kilby nicht so vorhergesehen hatte. Kilby arbeitete noch bis zum Jahr 1970 bei Texas Instruments und wurde dann auf freiwilliger Basis beurlaubt, da er selbstständig als Entwickler und Erfinder weiterarbeiten wollte.

Meilensteine der Elektronik

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Nobelpreis für Kilby

Jack Kilby ging von 1978 bis 1984 eine Professur an der Texas A&M-Universität ein, die auf Forschung spezialisiert ist und nördlich von Houston in der Stadt College Station beheimatet ist. Während dieser Zeit wurde er bereits in die US-amerikanische Hall of Fame für Erfinder aufgenommen. Den Höhepunkt, den seine wissenschaftliche Laufbahn anging, erreichte Jack Kilby im Jahr 2000, als er den Physik-Nobelpreis für die Erfindung des integrierten Schaltkreises erhielt. 50 Prozent des Nobelpreises entfielen auf Kilby, die weiteren 50 Prozent auf den 1928 in Weimar geborenen Physiker Herbert Kroemer sowie auf Schores Iwanowitsch Alfjorow. Beide hatten wichtige Grundlagen für die Halbleiter-Chiptechnologie gelegt.

Kroemer hatte unter anderem in den 1950er-Jahren einen Bipolartransistor, der Frequenzen im Gigahertz-Bereich zulässt, sowie im Jahr 1963 die Grundlagen für Halbleiterlaser entwickelt. In beiden Fällen konnte man Kroemers Ideen erst in den 1980er-Jahren mit der Entwicklung der Epitaxie technisch umsetzen. 

Alfjorow wurde ebenfalls für seine Grundlagenforschung ausgezeichnet, bei der sein Forschungsschwerpunkt im Bereich der Halbleiterphysik der entscheidende Faktor war. Alfjorows Forschung hat unter anderem die moderne Lasertechnik für CD-Player oder Kassen-Scanner maßgeblich beeinflusst. 

Doch was war aus Robert Noyce geworden, der bereits 1990, also zehn Jahre vor der Vergabe des angesprochenen Nobelpreises für Physik, verstorben war? Das Komitee für den Nobelpreis ehrte ihn wegen seiner Erkenntnisse und Arbeit explizit. Da der Nobelpreis nicht posthum vergeben wird, ist nicht auszuschließen, dass Noyce auch zum Nobelpreisträger gekürt wäre, wenn er zum Zeitpunkt der Entscheidung noch gelebt hätte. Auch Kilby war sich sicher, dass Noyce ebenfalls den Preis erhalten hätte.

Noyce im Schatten von Kilby

Verdient hätte Robert Noyce den Nobelpreis wohl in jedem Falle. Denn an sich war sein integrierter Schaltkreis technisch sogar etwas ausgefeilter als der von Jack Kilby. Bei letzterem waren anfangs noch Drähte Bestandteil des späteren Chips, um kleine Bauteile miteinander zu verbinden. Noyce hingegen legte die Leitungen schon im Substrat an. Trotzdem zog Noyces Erfindung gegenüber der von Kilby den kürzeren, auch da Texas Instrument als großes Unternehmen bei einem dabei entstandenen Rechtsstreit um das Patent zum integrierten Schaltkreis ein zu mächtiger Gegner war und vor Gericht gewann. 

Doch Noyce ließ sich von dem Patentstreit nicht entmutigen, sondern verließ vielmehr im Jahr 1968 die Firma Fairchild Semiconductor und ging zusammen mit Gordon E. Moore die Gründung des heutigen Weltkonzerns Intel an. Noyce erhielt noch zu Lebzeiten mehrere Ehrungen und Auszeichnungen, wie im Jahr 1979 die National Medal of Science oder 1980 die Aufnahme in die National Academy of Science. Mit 62 Jahren verstarb er an einem Herzinfarkt in Austin, Texas. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), der weltweite Berufsverband von Ingenieuren, Wissenschaftlern, Techniker und weiterer Berufe hauptsächlich aus der Elektro- und Informationstechnik, hatte Noyce zu seinen Lebzeiten mehrfach geehrt. Der Verband vergibt seit dem Jahr 2000 jährlich die Robert N. Noyce Medal für besondere Verdienste in der Mikroelektronik-Industrie. 

Kilby und Noyce – zwei geniale Forscher

Jack Kilby gilt wegen des Nobelpreises, weil er etwas früher mit seiner Erfindung an die Öffentlichkeit kam sowie dank des gewonnenen Patentstreits als der Vater des integrierten Schaltkreises; als Vater der Erfindung, die wir heute in der Elektronik einen Chip nennen. Neben dem elektronischen Taschenrechner erfand er den Thermodrucker und verbrachte seinen Lebensabend mit Forschungen zur Solartechnik.

An Krebs erkrankt, verstarb Jack Kilby im Frühsommer 2005 in Dallas (Texas). Mittlerweile gilt das Labor, in dem er im Jahr 1958 den integrierten Schaltkreis entwickelte, als historische Gedenkstätte. Doch auch Robert Noyce war ein ähnlich begabter Forscher und Entwickler, der eigenständig sowie fast parallel zu Kilby ebenfalls die integrierte Schaltung erfand, ohne die unsere technische Welt heutzutage bei Weitem nicht so fortgeschritten wäre, wie sie es ist.

Quellen

• Robert Noyce (Wikipedia)

• Jack Kilby (Wikipedia)

• The Chip That Jack Built (Texas Instruments via Webarchive)

• Urknall der Mikroelektronik (Deutsches Patent- und Markenamt)

• Planartechnik (Wikipedia)

• Tyranny of numbers (Wikipedia, engl.)

 (sb)

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