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ED 065

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A lasca de 11 milímetros que Jack Kilby montou sozinho

Sem direito a férias em julho de 1958, Kilby pôs um circuito inteiro num pedaço de germânio e o ligou em 12 de setembro.

Lasca de germânio com fios de ouro, o primeiro circuito integrado de Jack Kilby, 1958.

Dallas, 1958: o circuito de Jack Kilby

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Uma lasca de germânio com 11 milímetros de comprimento e pouco mais de 1 milímetro de largura, colada numa lâmina de vidro, com fios de ouro finos como cabelo arqueados por cima. Ela prova que um circuito inteiro podia caber num único pedaço de cristal.

Quem a montou foi Jack St. Clair Kilby, engenheiro criado no Kansas, contratado pela Texas Instruments, em Dallas, em maio de 1958. A peça parece defeito de fábrica: bordas lascadas, gotas de cera e fios soldados à mão sem ordem aparente.

Na tarde de 12 de setembro de 1958, Kilby ligou a lasca a uma bateria e a um osciloscópio (o aparelho que desenha o sinal elétrico numa tela) diante de um pequeno grupo de chefes da empresa.

Na tela apareceu uma onda contínua, subindo e descendo sem parar. O circuito era um oscilador, um gerador que repete o pulso elétrico indefinidamente, e funcionava inteiro dentro daquele cristal.

Até aquela tarde, todo aparelho eletrônico era um amontoado de peças avulsas. Transistores, resistores e capacitores saíam de fábricas diferentes e precisavam ser soldados um a um, por mãos humanas, em placas cada vez maiores.

Cada solda era um ponto de falha. Quanto mais peças o projeto pedia, maior a chance de o aparelho sair com defeito antes de ser ligado pela primeira vez.

A lasca de Kilby juntava as partes num bloco só, todas feitas do mesmo material. Estava feia, cheia de remendos, e tinha nascido nas semanas em que a fábrica quase inteira tirava férias.

Kilby não tinha direito a elas. Era novo demais na casa e passou julho praticamente sozinho no laboratório, com tempo livre e nenhuma reunião marcada.

Para entender como um recém-chegado resolveu o que equipes inteiras não resolviam, a história começa por quem ele era antes de chegar a Dallas.

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I A invenção de hoje

Um circuito inteiro num cristal só

Jack St. Clair Kilby nasceu em 8 de novembro de 1923, em Jefferson City, no Missouri, e cresceu em Great Bend, no Kansas. O pai dirigia uma companhia de energia elétrica e usava o rádio amador (transmissão feita por aficionados licenciados, fora das emissoras comerciais) para falar com clientes isolados por tempestades de gelo.

O menino aprendeu eletrônica nesse rádio. Formou-se em engenharia elétrica pela Universidade de Illinois em 1947 e passou onze anos na Centralab, em Milwaukee, fabricando circuitos para aparelhos de surdez e rádios.

Semicondutor é o material que conduz corrente só em certas condições, como o germânio e o silício, e era a matéria-prima dos transistores da Texas Instruments. A invenção de Kilby ganhou depois a designação de circuito integrado: um circuito eletrônico completo, com todas as peças fabricadas dentro do mesmo bloco de semicondutor.

A ideia contrariava o bom senso da época. Ninguém fazia resistor de germânio, porque carbono e fio metálico saíam mais baratos e mais precisos. Kilby aceitou peças piores em troca de uma vantagem: todas sairiam do mesmo cristal, sem solda entre elas.

COMO A LASCA FUNCIONAVA

O oscilador de 12 de setembro usava quatro elementos, todos tirados do germânio ou presos a ele:

1. Um transistor, a peça que amplifica o sinal, aproveitado de uma barra que a fábrica já produzia.

2. Resistores, feitos de trechos do próprio cristal, cuja espessura controlava quanta corrente passava.

3. Um capacitor (peça que guarda carga elétrica e a solta aos poucos), formado por uma junção dentro do germânio.

4. Fios de ouro soldados à mão por cima, ligando cada região à vizinha.

O circuito integrado põe transistor, resistor e capacitor no mesmo pedaço de cristal e acaba com a solda entre eles.

Os fios de ouro eram o ponto fraco do protótipo. Ficavam soltos no ar, e um esbarrão podia desligar o circuito, mas provavam que o resto da ideia funcionava.

Um oscilador equivalente montado com peças avulsas, na mesma época, ocupava uma placa do tamanho da palma da mão e exigia uma dezena de soldas. Na lasca de Kilby, a maior parte das ligações já estava dentro do próprio cristal.

Dias depois, Kilby montou um segundo circuito no mesmo esquema, um flip-flop (circuito que guarda um bit, o 0 ou o 1 da computação), a base da memória dos computadores.

A Texas Instruments apresentou a novidade ao público na primavera americana de 1959, numa feira do Instituto de Engenheiros de Rádio, em Nova York, sob a designação de “circuito sólido”.

II Acidente ou projeto

Um julho com o laboratório vazio

O circuito integrado foi projeto, e projeto feito por falta de alternativa. Em 1958, o Exército americano financiava o programa Micro-Module (micromódulo), que empilhava peças avulsas pequenas em blocos padronizados, ainda presas umas às outras por solda.

Kilby foi contratado para trabalhar nesse caminho e não gostou dele. Na avaliação do engenheiro, empilhar peças menores mantinha intacto o problema da solda, só em tamanho reduzido.

Nas duas primeiras semanas de julho, a Texas Instruments dava férias coletivas. Quem tinha acabado de chegar não acumulava dias de folga, e Kilby ficou no prédio com os corredores vazios e uma pergunta: o que uma fábrica de semicondutor sabia fazer barato?

A resposta era semicondutor. Se a empresa já dominava o germânio e o silício, todas as peças do circuito deviam sair desse material, inclusive as que nunca tinham sido feitas assim.

Em 24 de julho, ele escreveu no caderno de laboratório: “Os seguintes elementos de circuito poderiam ser feitos numa única lasca: resistores, capacitor, capacitor distribuído [carga guardada ao longo do próprio cristal], transistor.” (Jack Kilby, caderno de laboratório da Texas Instruments, 1958)

DE JULHO A SETEMBRO

Willis Adcock, chefe de Kilby, voltou das férias desconfiado de que peças de semicondutor funcionassem como resistor e capacitor. O caminho até a demonstração teve quatro etapas:

1. Julho: o esboço no caderno, com desenhos de cada componente feito de cristal.

2. Agosto: um circuito de prova com peças de silício separadas, ligadas por fio, para mostrar que cada uma funcionava sozinha.

3. Começo de setembro: a escolha de uma barra de germânio que já trazia transistor pronto, aproveitada da linha de produção.

4. 12 de setembro: o oscilador inteiro na lasca, ligado diante de Adcock e da diretoria.

Kilby chegou ao circuito integrado pela pergunta mais simples da fábrica: o que a Texas Instruments já sabia fazer barato?

O germânio entrou por conveniência. Kilby preferia silício, mas o material com transistor pronto à mão naquele mês era germânio, e ele não quis esperar.

A demonstração durou poucos minutos. Kilby apertou o interruptor, a onda surgiu no osciloscópio e seguiu firme enquanto a bateria esteve ligada. A dúvida de Adcock sobre resistor e capacitor feitos de cristal ficou respondida ali, na frente da diretoria.

A patente, com o título “Circuitos eletrônicos miniaturizados”, foi pedida em 6 de fevereiro de 1959 e concedida nos Estados Unidos em 1964, sob o número 3.138.743.

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III O problema que ela resolveu

A tirania dos números

O problema que o circuito integrado resolveu tinha apelido dentro da indústria: a tirania dos números. A expressão foi cunhada por Jack Morton, vice-presidente dos Laboratórios Bell, nos anos 1950.

Cada novo computador pedia mais peças, e cada peça pedia mais soldas. O ENIAC, montado pela Universidade da Pensilvânia em 1946, tinha 17.468 válvulas, e cada uma precisava de várias ligações feitas à mão.

Os militares sentiam o problema primeiro. Um míssil ou um avião carregava eletrônica cada vez mais pesada, e uma única solda rachada pela vibração derrubava o sistema inteiro.

O circuito de Kilby cortava o problema na raiz: menos fio, menos solda, menos peso, menos pontos de falha. A Força Aérea americana financiou a produção, e a Texas Instruments começou a fornecer circuitos integrados para o míssil Minuteman II.

O programa Apollo, da NASA, veio logo atrás. O computador de bordo das naves, projetado pelo Laboratório de Instrumentação do MIT, usou circuitos integrados, e as encomendas em grande volume ajudaram a derrubar o preço de cada chip.

A OUTRA PATENTE

Kilby não corria sozinho. Em janeiro de 1959, Robert Noyce, da Fairchild Semiconductor, na Califórnia, anotou uma versão em silício que trocava os fios de ouro por trilhas de metal depositadas sobre o cristal, graças ao processo planar (técnica que deixa a superfície do chip lisa e protegida por uma camada de óxido) criado pelo colega Jean Hoerni.

A patente de Noyce saiu em 1961, três anos antes da de Kilby. As duas empresas brigaram na Justiça e, em 1966, fecharam um acordo em que cada uma podia usar a patente da outra.

Os chips modernos seguem o desenho de Noyce, com as trilhas impressas, mas a ideia de fazer tudo no mesmo cristal foi registrada primeiro por Kilby.

A lasca de Kilby trocou milhares de soldas feitas à mão por um único pedaço de cristal fabricado de uma vez.

Em 1967, Kilby e dois colegas da Texas Instruments, Jerry Merryman e James Van Tassel, patentearam a calculadora de bolso, construída sobre circuitos integrados.

Em 2000, Kilby recebeu metade do Prêmio Nobel de Física pela invenção. Noyce, falecido em 1990, ficou fora, porque o Nobel não premia quem já partiu.

A lasca de 11 milímetros, com os fios de ouro ainda arqueados sobre o germânio, foi o primeiro circuito integrado a funcionar, ligada em 12 de setembro de 1958 por um engenheiro que não tinha férias para tirar.

“Que tarefa sua andaria mais rápido num mês com o escritório vazio?”