uredi› krajšaj› T:730 M:1048 Z: [×]

Razvoj tipala CCD - Za razvoj elektronskega očesa je kriva vztrajnost

Sony je leta 1961 v četrti Hodogaja v Jokohami zgradil raziskovalni laboratorij, ki se je leta 1969 preimenoval v raziskovalno središče in se združil z raziskovalnim oddelkom na Sonyjevem sedežu. Število Sonyjevih raziskovalcev se je takrat povečalo s prvotnih približno petdeset na kar tristo in raziskovalno središče je postalo osrednji raziskovalno-razvojni oddelek za bazične raziskave.

Nekega dne leta 1970 je eden od inženirjev kolegu v raziskovalnem središču Šigejukiju Očiju pokazal članek v reviji – šlo je za poročilo, ki sta ga sestavila sodelavca laboratorijev Bell, W. S. Boyle in G. E. Smith, in v njem še istega leta napovedala razvoj elektronskega svetlobnega tipala CCD. Gre za polprevodnik s strukturo, podobno kovinskooksidnemu polprevodniku, ki shranjuje in prenaša električne signale. Kot je pisalo v poročilu, sta raziskovalca izumila elektronsko svetlobno tipalo, potem ko jima je nadzornik naročil, naj razmislita o polprevodniku z enakimi funkcijami, kot jih ima magnetni pomnilnik. Domislila sta se več mogočih uporab takšnega tipala oziroma čipa, vključno z vgradnjo v fotoaparate, kamere in zaslone.

Oči se je na članek najprej odzval z besedami: »Ta čip ima zelo preprost ustroj, a se mi zdi zanimiv. Vprašajva druge inženirje, ali imajo predloge za njegovo uporabo in ali bi koga zanimala njegova nadaljnja nadgradnja.« Raziskovalnemu središču je posredoval vprašalnik in poudaril, da razvoj tehnologije nima smisla, če ta ne služi dejanskim potrebam. Številni inženirji so z veseljem izpolnili vprašalnik.

Svetlobno tipalo

»No, ker sem bil jaz tisti, ki je začel vse skupaj, bi bilo verjetno dobro, če bi tudi nadaljeval,« je razmišljal Oči. Razvoj elektronskega svetlobnega tipala je decembra 1970 dodal na seznam svojih projektov, povezanih z razvojem kovinskooksidnega polprevodnika. Električni signal se, odvisno od voltaže, prenese v čip CCD in njegova konca delujeta kot vhod in izhod za signal. Čip lahko zato uporabljamo kot zakasnitveno enoto pri prenosu signala. Oči, ki se je zdolgočaseno igral z njim, je ugotovil: »Če električni signal dovajate na enem koncu, se prenese in izstopa na drugem.« Poleg tega je odkril, da CCD, uporabljen kot fotografsko tipalo, prejete svetlobne signale pretvori v električne. Povedano drugače, deluje kot bralnik optičnih signalov, zato CCD, povezan z lečo, lahko deluje kot »elektronsko oko«.

Projekcija črke S s čipom CCD s 64 pikami iz leta 1972

Oči je bil nad to možnostjo navdušen: »Gre za zelo preprost princip delovanja. Če bo čip primeren za komercialno uporabo, bomo lahko izdelovali poceni fotoaparate in kamere.« Razvil je več prototipov. Prvi je zajel sliko z osmimi slikovnimi pikami. Za takšno podobo mora osem kompletov fototipal in prenosnikov prestreči svetlobne signale in jih pretvoriti v električne. Čim več pik ima enota, tem boljša je ločljivost končne podobe. Očiju je nato leta 1972 uspelo projicirati črko S s CCD z osem krat osem oziroma 64 pikami. Takrat so se v laboratorijih Bell že nehali truditi s komercialno uporabo teh čipov, drugi proizvajalci pa so bili tik na tem. Ogha pa se je zavedal, kaj je uspelo Očiju, in čeprav je bil zadovoljen z rezultatom, ni spregledal, da je podoba zelo mehka in ne dovolj ostra. V šali je Očiju dejal: »S tem čipom komaj prepoznaš pet prstov na roki.«

Čeprav je bila tehnologija CCD na tej stopnji še zelo preprosta, jo je Ivama, takrat predsednikov namestnik, vneto podpiral. Oči in njegova skupina sta se še vedno le poigravala s CCD, a je Ivama ukazal, naj se resno osredotočijo na to tipalo in svoja raziskovalno-razvojna prizadevanja uresničijo v uporabnem izdelku. Po tistem je razvoj CCD postal pravi projekt. Ivama je ekipi postavil konkreten cilj: »V petih letih moramo izdelati kamero s CCD, ki bo stala manj kot 50.000 jenov. Na tem področju ne tekmujemo z drugimi proizvajalce elektronike, naš tekmec je Eastman Kodak.« Cilj je bil jasen, vendar so bili inženirji zmedeni. V primerjavi z običajnimi cevastimi aparati se jim je zdelo očitno, da bo naprava z enoto CCD veliko manjša in lažja za prenašanje, hkrati pa bo imela stabilnejše zmogljivosti za obdelavo podob. Raziskovalci so zato vprašali: »Zakaj je naš tekmec Eastman Kodak in ne proizvajalci elektronike?« V resnici nihče od njih ni prav dobro razumel, zakaj jim je Ivama postavil takšen cilj.

Začelo se je s tranzistorji

Ivama je za Sony v Združenih državah Amerike delal od 1971 do 1973. Ko se je vrnil na Japonsko, je postal namestnik predsednika Sonyja in direktor raziskovalnega središča. Vedno se je udeleževal mesečnih sestankov o napredku CCD, ki so jih pripravljali v središču, in z zanimanjem postavljal vprašanja. A za svoje nenadno resno zanimanje za komercializacijo CCD je imel dober razlog.

Tri tipala CCD in prizma, ki svetlobni snop razbije v tri osnovne barve, srce video kamere Sony DCR-VX100E.

V 50. letih, ko je Sony predstavil tranzistorski radio, se je hvalil, da je prvi proizvajalec polprevodnikov na svetu. Ivama je bil takrat na čelu Sonyjevih raziskav in razvoja. Pod njegovim vodstvom je Leona Esaki, pozneje dobitnik Nobelove nagrade, razvil tunelsko diodo (imenovano tudi dioda esaki). Takrat se je rodila tranzistorska televizija. Ko se je Ivama s svoje delovne zadolžitve v ZDA vrnil na Japonsko, je Sonyjeva ekipa za razvoj polprevodnikov stopicala na mestu. Umaknila se je iz hudo konkurenčne tekme za razvoj kovinskooksidnega polprevodnika za elektronske kalkulatorje. Ivamu se je zdelo, da je ta ekipa kar zamrla, zato je spodbujal Očijevo ekipo. Ivama je želel s CCD oživiti Sonyjev razvoj polprevodnikov. Bodril je prizadevanja ekipe: »Raziskovalno središče mora zaupati vase.« Ivama je na lastne oči videl CCD iz Bellovih laboratorijev in je iskreno verjel v njegovo prihodnost. »Ta čip je popolno orodje za oživitev Sonyjeve prodaje polprevodnikov. Prišel bo dan, ko bo CCD prispeval k Sonyjevim komercialnim izdelkom,« je razmišljal Ivama. Izpostavitev Eastman Kodaka kot glavnega tekmeca se je porodila iz želje, da bi bili boljši od takrat cvetoče panoge fotografskega materiala in kamero CCD ter videorekorder predstavili kot izziv iz industrije elektronike.

Tako so novembra 1973 inženirje, ki so razvijali CCD, iz tovarne v Acugiju prestavili v raziskovalno središče in razvoj tako imenovanega elektronskega očesa se je začel zares.

Naložba se bo povrnila v 21. stoletju

Selitev osebja in opreme v raziskovalno središče pomeni začetek dolgega boja za komercialno zanimiv CCD.

Glavna cilja, s katerima so se ubadali raziskovalci, sta bili večja občutljivost in boljša ločljivost CCD in obe sta napredovali s številom pik. Hkrati je bilo ključno odpraviti črne pege in bele praske na podobah. Za ti napaki so bili krivi drobni delci prahu in kontaminacija s težkimi kovinami. A reševanje teh napak in odprava drugih dejavnikov, ki so vplivali na kakovost slike, nista bila preprosta.

Razen Sonyja so skoraj vsi tekmeci, ki so se trudili razviti CCD, obupali. Številna podjetja so pri razvoju svojih CCD izhajala iz lastne obstoječe tehnologije kovinskooksidnih polprevodnikov, saj imajo podoben ustroj. Ker se je Sony umaknil iz razvijanja polprevodnikov za uporabo v elektronskih kalkulatorjih, kar je ena najpogostejših uporab kovinskooksidnih polprevodnikov, ni imel svoje tehnologije, na kateri bi temeljil razvoj CCD. Povedano drugače, Sony je moral začeti iz nič. Tekmeci so si lahko privoščili vrnitev k polprevodnikom, ko so sklenili, da je CCD pretrd oreh, Sony pa ni imel te možnosti in to je pripomoglo, da je vztrajal. »Vztrajnost se bo izplačala,« so bili prepričani. Leta 1977 je s Sonyjem pri razvoju CCD želela sodelovati druga družba, vendar je tudi ta čez leto dni obupala in se preusmerila na kovinskooksidne polprevodnike. Oči in inženirji so ves ta čas verjeli, da bo CCD v prihodnosti nadomestil cevi, in so še naprej upali v svoj uspeh.

Kljub samozavesti so se morali večkrat spopadati s pritiskom, naj opustijo svoje delo, in sicer zaradi visokih stroškov. Ekipi so včasih celo očitali, da je draga nebodijetreba, in člani so bili tarče kritik svojih kolegov, vendar jim Ivama ni zaprl pipice. Vsaj enkrat na mesec jih je obiskal v laboratoriju. Včasih je izrazil svoje razočaranje nad še vedno neostro podobo na zaslonu, znakaženo s črnimi in z belimi črtami. »Zakaj vam ne uspe izboljšati slike?« je pogosto vprašal. Hkrati pa je vedno spodbujal Očija in ekipo: »Ne obupajte.«

Ivama ni veliko govoril. Preden je spregovoril, je dobro premislil, in njegove jedrnate izjave so vedno pustile globok vtis. Ob vsakem njegovem obisku je ekipa temeljito razmislila o njegovih besedah. Oči ga je opisal kot guruja, ki je spregovoril nekaj besed modrosti. Njegovi podaniki, če jim smemo tako reči, so pozneje staknili glave in poskušali razvozlati njihov globlji pomen. Ivama ni maral posplošenih odgovorov in preveč strokovnih razlag svojih inženirjev. Ti so se tako navadili, da so mu posredovali strnjena in konkretna poročila. Naj je Ivama to delal načrtno ali ne, je inženirjem to zelo koristilo.

A razvijanje CCD je bilo preizkušnja celo za Ivamov pogum in vztrajnost. Med dolgo dobo razvijanja se je pogosto moral upreti neprijetnemu občutku negotovosti. Glede na čas in naložbe, nujne za ta projekt, ta ne bi začel prinašati dobička že v bližnji prihodnosti. Morita in drugi člani najožjega vodstva niso mogli skrivati živčnosti, ker so se lotili takšnega projekta, in so se spraševali, ali bo naložba prinesla želene rezultate. Ivama je ponavljal Oghu, ki je potrjeval proračun, da je za »razvoj CCD potrebno veliko denarja« in da ne more zagotoviti, da se bo ta naložba povrnila že do konca stoletja. Ivama je nekoč presenetil Očija z besedami: »Srce polprevodnikov je v kristaliziranem siliciju. Zakaj ne bi kupili tovarne za proizvodnjo kristalov?« Pomembna surovina v CCD je res kristalizirani silicij in od čistosti tega kristala je odvisna kakovost slike. A Oči na nakup takšne tovarne nikoli ni gledal le z vidika dostopa do kakovostnega kristaliziranega silicija. Zaradi te pripombe je Oči menil, da je Ivama na povrnitev naložbe dejansko pripravljen počakati do konca stoletja. Hkrati so ga zapeljali tudi Ivamova vztrajnost, strast in pripravljenost, da se je sploh lotil tako pomembnega projekta.

Ivamova vztrajna pozornost in prizadevanja Očija ter njegovih inženirjev so počasi, vendar prepričljivo pripomogli k napredku. Inženirjem je število pik uspelo povečati z dva tisoč na osem tisoč in nato na 70.000. Leta 1978 je njihovo število doseglo 120.000. Sony je v prizadevanju, da bi izdelal zelo kakovostne kristale, izumil lastno metodo kristaliziranja in tako odpravil težave zaradi kontaminacije pik s prahom. Prah z ljudi, strojev in od drugod so odstranili in preprečevali njegovo nabiranje. Končno so dobili popolno, jasno sliko. Ekipa je naredila fotografijo kristala in jo pokazala Ivamu. »Končno vam je uspelo,« je bilo vse, kar je komentiral.

Istega leta so projekt spet selili, in sicer v tovarno v Acugiju, da bi začeli proizvodnjo. Začeli so poskusno proizvodnjo tipal CCD s 120.000 pikami, leta 1979 pa so novo tipalo začeli prodajati s komercialnim imenom ICX008. Dotlej so v projekt skupno vložili dvajset milijard jenov.

Prvič so ga uporabili v jumbo jetu

Po preizkusni množični proizvodnji so novembra 1978 v Acugiju odprli proizvodnjo linijo za prototip fotoaparata s čipom CCD. In januarja 1980, šest let in tri mesece po prvem Ivamovem ukazu, naj se začne razvijati CCD, so končno izdelali prvo takšno kamero na svetu, xc-1, ki so jo namestili na jumbo jet letalske družbe All Nippon Airways in jo uporabili za projiciranje posnetkov iz pilotske kabine ob vzletu in pristanku v potniško kabino. Delovala je torej kot »oko« vizualnega sistema letalske družbe.

A proizvodnja uporabnih čipov CCD je bila takrat neučinkovita in brezhiben je bil le en izdelek od več sto. Kar dvanajst mesecev je trajalo, da so izdelali 52 tipal, potrebnih za 26 kamer, zato je vsako stalo kar 317.000 jenov in je daleč presegalo ciljno ceno 50.000 jenov, ki jo je postavil Ivama.

»Temu sploh ne moremo reči stopnja donosnosti, temveč prej pojavnost uporabnih čipov,« so se pritoževali nadzorniki proizvodnje čipov. Zlobni »sovražnik«, ki je spodkopaval njihova prizadevanja, so bili izjemno drobni delci prahu, ki so merili manj kot nekaj mikronov in jih s prostim očesom ni bilo mogoče opaziti. V vseh razvojnih in proizvodnih prostorih so uvedli čiste prostore in oblačila, odporna na prah, podobna skafandrom. Boj proti delcem prahu je bil neizprosen: poiskali so vse mogoče vire prahu, od ljudi do strojev in drugega ter uvedli zaščitne ukrepe.

S tem se je proizvodnja po letu 1983 v tovarni polprevodnikov Kokubu v Kagošimi dovolj izboljšala za množično proizvodnjo v predvidenem obsegu.

Končno je napočil tudi dan za množično uporabo tipal CCD. Januarja 1985 so svetu predstavili osemmilimetrski kamkorder ccd-V8 (videorekorder in kamera v enem) s čipom CCD z 250.000 pikami (icx018). Ta izdelek pomeni začetek novega poslovnega obdobja uporabe CCD.

Leta 1985 je svet ugledal prve Sonyeve videokamere s tipali CCD ločljivosti 250.000 pik.

Žal Ivama, ki bi bil gotovo ponosnejši in srečnejši od vseh, če bi bil priča temu mejniku, tega ni dočakal. Leta 1982, ko so se začele priprave za množično proizvodnjo CCD pod nadzorom Masahira Takahašija, je Ivama hudo zbolel. Iz bolniške postelje je večkrat ponovil: »Zagotovo bom prišel pogledat tovarno.« A tega ni mogel uresničiti. Umrl je avgusta istega leta.

Ivama je na predsedniškem položaju družbe nasledil Ogha, pomagal pa mu je Takahaši. Nadzorovala sta množično proizvodnjo CCD in ustanovitev posebne enote zanj. Ogha je vzel čip iz prve serije in ga odnesel na Ivamov grob. Namestil ga je na zadnjo stran nagrobnega kamna z besedami: »Ivama san, končno nam je uspela množična proizvodnja CCD, katerega razvoj si spodbujal.« Ko so Sonyjevi zaposleni ob sedmi obletnici Ivamove smrti obiskali njegov grob, je bil čip še vedno tam. Zdelo se jim je, kot bi ga Ivama trdno stiskal v svoji dlani.

Težka bitka proti prahu

Kosanje pri razvoju CCD se je začelo 1986, ko so v kamero JVC vgradili čip proizvajalca NEC. Razvojna ekipa Sonyjevega osemmilimetrskega kamkorderja je sprejela izziv in začela razvijati manjšo napravo s še kakovostnejšo sliko. Za dosego tega cilja je ekipa inženirjev potrebovala še manjše in boljše čipe. Ko je bil čip CCD z 250.000 pikami zrel za komercialno uporabo, se je naslednji cilj povzpel na 380.000. A takrat se je zgodilo nekaj nepričakovanega. Kljub čistim prostorom so po vsej proizvodni liniji tovarne polprevodnikov odkrili prah.

Učinkovitost proizvodnje se ni povečala in Sony je bil prisiljen za dva meseca preložiti predstavitev osemmilimetrskega kamkorderja z visoko ločljivostjo ccd-V90, ravno ko je nameraval začeti vgrajevati čipe s še več pikami. To so bili hudi časi za Takahašija, takrat glavnega direktorja poslovne skupine za polprevodnike, in njegovo ekipo, ki je razvijala CCD. Medtem ko so tekmeci povečevali prodajo, je zamuda grozila, da bo zadala usodni udarec Sonyjevim osemmilimetrskim napravam. To je bilo prvič, da je moral Sony predstavitev novega izdelka zamakniti za dva meseca. V tisku niso poznali usmiljenja in so objavljali članke z naslovi, kot sta Prah je ubil elektronsko oko in Najnovejši model je podlegel zaradi prahu. Poleg tega je Sony začel tržiti same čipe CCD in kamere z njimi tudi kot proizvajalec delov za druge tovarne. Katastrofa zaradi prahu leta 1987 je škodila tudi kupcem Sonyjevih sestavnih delov.

Ko imajo ti kupci težave zaradi kakovosti delov, je treba vložiti veliko časa in dela za vnovično pridobitev njihovega zaupanja. Oči in člani njegove ekipe so leta 1983 težko spravili v promet čipe CCD, ko so začeli prodajo drugim proizvajalcem. Obiskali so več tovarn, a so jih povsod zavrnili zaradi slabega glasu. Sony je zmanjšal število polprevodnikov, ki jih je prodal strankam, da je lahko pokril interne potrebe. Zaradi tega so se tudi opravičevali. Trženje čipov je dobesedno temeljilo na potu in solzah Očija ter članov njegove ekipe.

To je bilo naporno obdobje: »Nikoli več nočemo spravljati kupcev naših delov v zadrego.« Na srečo sta Kanoj, ki je bil takrat direktor skupine Video business, in Morio, njegov namestnik, odgovoren za razvoj osemmilimetrskih kamkorderjev, imela razumevanje za prizadevanja ekipe, ki je prodajala čipe CCD. Tudi onadva sta si jih želela priskrbeti čim več. Model V90 so oglaševali v medijih, s čimer so spodbudili živahno povpraševanje na trgu. Kanoj in Morio sta ekipi razložila: »Ne skrbite zaradi naših internih zahtev za te čipe. Žrtvujte naju in najprej poskrbite za potrebe kupcev naših sestavnih delov.« Oči in njegovi inženirji so si oddahnili.

Sony ni bil edini proizvajalec, ki se je bodel s težavami zaradi prahu, nagajal je tudi tekmecem. Dva največja proizvajalca čipov CCD sta naletela na isto oviro pri proizvodnji.

Takahaši in nadzorniki proizvodnje CCD so med poletnimi dopusti delali dan in noč. Vsi so se osredotočili na izločanje enega vira prahu za drugim. Pred testerjem za čipe so postavili amulet iz svetišča v Kagošimi, da bi jim prinesel srečo. In nenadoma, nekega dne v avgustu, so bili končno uslišani – delež brezhibnih čipov se je popravil. Vsi so zavriskali, da je to treba proslaviti, in se tisto noč veselili. Sonyjeva proizvodnja čipov CCD se je končno spet zagnala.

Nihče ni pozabil tega boja. Po mnenju nekaterih je bil najhujši v zgodovini proizvajalca. Napredek, dosežen tega leta, je predstavljal izhodišče, da se je Sony prebil med redke proizvajalce polprevodnikov s stalno visoko kakovostjo.

»Ivama san, izdelali smo desetmilijonti čip!«

Ko je Sony premagal ovire pri proizvodnji čipov CCD, je ta postala ključna za njegovo prodajo polprevodnikov.

V 80. letih so čipi CCD hitro postajali manjši in zmogljivejši. V Sonyju je bilo pogosto slišati izzive, češ, imamo čip, velik dve tretjini palca, zato izdelajmo polpalčnega, ali zdaj ko imamo 250.000 pik na palec, jih povečajmo na 380.000. Na začetku 90. let so dejansko predstavili čip, ki ni bil večji od tretjine palca, in izdelali čip z visoko ločljivostjo dva milijona pik na palec za televizijo z visoko ločljivostjo.

Razvili so tudi novo tehnologijo za podporo čipom CCD. Svetloba, ki pade na žično povezavo med pikami na CCDju, se namreč izgubi. »Kako doseči, da ne bi šla v nič? Če bi pretvorili tudi to svetlobo, bi lahko še bolj popravili kakovost slike, ne da bi povečali število pik,« je razmišljal Oči. Z ekipo so preizkusili izbočene leče, ki so jih namestili na posamezne pike, te pa so svetlobo usmerile mimo žic. Najmanjše leče na svetu s premerom komaj sedem mikronov so poimenovali leče za čipe. Čeprav so bile tako majhne, so občutljivost CCDjev na svetlobo povečale za dvakrat. Te leče so razvili junija 1989.

***

Današnji fotoaparati in mobilni telefoni za zajem fotografije uporabljajo tipala CMOS, ki so cenejša za proizvodnjo, imajo v primerjavi s CCD kar nekaj prednosti, vendar tudi nekaj slabosti. Zaradi slednjih je tehnologija CCD še vedno v uporabi v vrhunskih aplikacijah, denimo v astronomiji. Tudi vesoljski teleskop Hubble uporablja tipala CCD, res pa je, da so ga naredili že pred tridesetimi leti.