Gloeilamp als basis van de hightechindustrie (in Brainport Eindhoven)
De gloeilamp ligt aan de basis van de ontwikkeling van het digitale tijdperk die leidde tot de komst van kunstmatige intelligentie, ofwel AI. Hoe? We duiken in de technologische (ontstaan)geschiedenis: van gloeilamp tot hightechindustrie.
Vanuit het fundament van de gloeilamp heeft de elektronenbuis zich ontwikkeld, waarna de stap naar triode werd gezet; die ervoor zorgde dat elektrische stroom versterkt wordt én die kan worden aan- en uitgezet. Door zijn schakelende eigenschappen heeft de triode een belangrijke rol gespeeld in de digitalisering.
Ontstaan van de gloeilamp
Sommige uitvindingen hangen in de lucht en vinden min of meer gelijktijdig plaats. Zo ook de elektrische gloeilamp. Monteer een gloeidraad in een vacuüm gepompte glazen ballon, jaag er stroom doorheen et voilà: het draadje begint te gloeien en geeft licht. Een eenvoudig principe dat in de praktijk echter heel wat hoofdbrekens kost. Zeker als het gaat om een in massa te vervaardigen product en niet alleen om een laboratoriummodel. Van de vele uitvinders die ermee bezig zijn, weet Edison in 1879 de gloeilamp te verbeteren en daarvoor octrooi te krijgen. In Eindhoven is Gerard Philips als ingenieur sterk betrokken bij het verbeteren van gloeilampen en de wijze waarop deze werden geproduceerd. Het eerste patent van Philips dateert uit 1905 en betreft een uitvinding van Gerard Philips om de levensduur van kooldraadlampen te verlengen
Thermische emissie
Bij het ontwikkelproces treden diverse kinderziektes op; het glas van de lamp wordt een beetje zwart aan de binnenkant. Om dit te voorkomen, experimenteert Edison met metalen plaatjes om de gloeidraad af te schermen. Edison merkt dat als hij met het metalen houdertje van zo’n plaatje de fitting van de lamp aanraakt, er een elektrische stroom ging lopen. Hij concludeert dat er “vrije elektronen” zijn die dus ook uit de gloeidraad voortkomen. Een belangrijke ontdekking, waar anderen op voortbouwen.
Eerste elektronenbuis
De Engelsman J.A. Fleming beredeneert dat de elektronenstroom maar één kant op kan lopen, van de gloeidraad naar de metaalplaat. Daarmee is in 1904 de eerste elektronenbuis geboren. Omdat er twee elektrodes (gloeidraad en metalen plaatje) in de buis zitten, heet dit een diode. De elektronen bewegen slechts in één richting.
Triodebuis: de buisversterker
Het toevoegen van een derde elektrode in de buis, werd gedaan door de Amerikaanse natuurkundige De Forest. Hij monteert een rooster tussen de gloeidraad en de metaalplaat, en laat zien dat je met een elektrische spanning op dat rooster, de elektronenstroom van de gloeidraad naar de metaalplaat kunt vergroten of verkleinen. Deze nieuwe vinding wordt de triodebuis genoemd. Daarmee is het mogelijk om elektrische signalen te versterken en te schakelen. Je kon namelijk de elektronenstroom van gloeidraad (kathode) naar metaalplaat (anode) helemaal “aan” of “uit” zetten.
Van triode naar transistor
Door veelvuldig te experimenteren met de triode, ontwikkelt Philips in 1926 de pentode: een elektronbuis met vijf elektrodes. Dit is een doorbraak op het gebied van de elektronenbuizen, die veel aanzien verwierf in de rest van de wereld.
Een elektronenbuis heeft echter ook nadelen namelijk zijn grootte en kwetsbaarheid (glas). De elektronenbuis verbruikt ook veel stroom en heeft na het inschakelen tijd nodig om naar behoren te kunnen werken. Vandaar dat na de Tweede Wereldoorlog onderzoek wordt gedaan naar een alternatief, geheel gemaakt in vaste stof. Dit resulteert in 1947 in de eerste transistor (William Shockley en zijn team bij Bell Labs). Vanaf dat moment wordt de functie van de triode- en pentodebuizen geleidelijk aan overgenomen door de transistor. Sinds ca. 1970 worden er combinaties van allerlei transistorschakelingen in één component geïntegreerd: het integrated circuit ofwel de “chip”.
Geïntegreerde schakelingen op een siliciumplaat
Een belangrijke stap in de ontwikkeling is de technologie voor het maken van een geïntegreerde schakeling op het materiaal silicium. Met deze technologie is het mogelijk om bijvoorbeeld transistoren in een siliciumplak te maken en nog belangrijker deze met elkaar te verbinden. In Philips’ NatLab wordt een baanbrekende uitvinding gedaan: transistors worden van elkaar geïsoleerd, waardoor ze dichter bij elkaar op één chip te plaatsen zijn. Zo kunnen nieuwe, kleinere soorten chips worden gemaakt. De nieuwe techniek krijgt de naam LOCOS: LOCal Oxidation of Silicon. Zonder deze techniek is de productie van moderne chips – met miljoenen transistors – ondenkbaar. Het is een kroonpatent voor Philips.1
Een uitleg van het halfgeleiderproductieproces met de LOCOS-techniek bij het vervaardigen van geïntegreerde schakelingen (afbeelding LOCOS)
Van componenten naar computers en software
De eerste elektronische computers worden gemonteerd met elektronenbuizen. De komst van de chip zorgt voor een razendsnelle ontwikkeling van de hardware en software, verbetering van de rekenkracht en snelheid van gegevensverwerking.
Ontwikkeling tot Kunstmatige Intelligentie
Samengevat kunnen we stellen dat de gloeilamp als voorloper van de chip een belangrijke bijdrage heeft in de start van de ontwikkeling ervan. Vanuit het fundament van de gloeilamp heeft de elektronenbuis zich ontwikkeld, waarna via de triode de stap naar de transistor werd gezet. Door zijn schakelende eigenschappen heeft de transistor een belangrijke rol gespeeld in de digitalisering.
Gedreven door de wet van Moore (elke twee jaar een verdubbeling van het aantal transistoren op een silicium wafer) heeft dit vanaf de jaren ‘60 uit de vorige eeuw tot nu toe geresulteerd in miljarden transistoren op één silicium wafer en heeft hiermee de ontwikkelingen van Kunstmatige Intelligentie mogelijk gemaakt.
Tekst: geschreven door Philips Museum Gebruikte bronnen: Philips Company Archives Beeld: gegenereerd ai beeld ‘van gloeilamp tot hightechindustrie’.
