Braint unwaith eto yw cael cyhoeddi erthygl wyddonol fuddugol gan John Michael Williams, y tro hwn o Eisteddfod Genedlaethol Llŷn ac Eifionydd 2023.
Mae yna sawl ateb posibl i’r cwestiwn hwn, er enghraifft radio, teledu, y rhyngrwyd, cyfrifiaduron, argraffyddion 3D, camerâu digidol a ffonau symudol. Maent i gyd wedi cael effaith fawr ar ein bywydau. Byddai rhai’n dadlau taw ffonau symudol heddiw, sy’n gallu cysylltu â’r rhyngrwyd a thynnu lluniau ardderchog a’u hanfon mewn neges destun neu e-bost at rywun ar ochr arall y byd mewn ychydig eiliadau, yw’r ddyfais bwysicaf.
Bu gwelliannau mawr yn ein hiechyd, diolch i wrthfiotigau, sy’n trin heintiau bacterol, a brechiadau; enghraifft ddiweddar yw’r brechlynnau COVID a gyflwynwyd yn gyflym gan waith rhagorol gwyddonwyr Prydeinig. Mae offerynnau fel sganwyr CT a pheiriannau MRI sy’n gallu cynhyrchu delweddau 3D o organau mewnol ac adnabod clefydau megis canser, wedi gwneud cyfraniad enfawr at allu meddygon i wneud diagnosis o anhwylderau eu cleifion.
Felly, beth yw fy ateb i’r cwestiwn hwn? Mae gan bron bob awgrymiad uchod un peth yn gyffredin; maent yn dibynnu ar dransistorau. Roedd y dyfeisiau electronig cyntaf, megis radios a chyfrifiaduron, yn defnyddio falfiau electronig (a elwir hefyd yn diwbiau gwactod); dangosir enghraifft gynnar yn Llun 1.
Defnyddiwyd falfiau o’r fath i chwyddo cerrynt, neu fel switshys. Roeddent yn gydrannau allweddol yn natblygiad radio, radar, teledu a’r cyfrifiaduron electronig cyntaf. Enghraifft o gyfrifiadur digidol rhaglenadwy cynnar oedd y Colossus, a ddefnyddiwyd ym Mharc Bletchley yn ystod yr Ail Ryfel Byd. Roedd fersiwn Mark II yn cynnwys 2,400 o falfiau ac roedd yn fawr iawn (gweler Llun 2)
Fodd bynnag, roedd gan falfiau electronig anfanteision mawr; maent yn cynhyrchu llawer o wres, maent yn annibynadwy ac yn fregus oherwydd eu gwneuthuriad gwydr. Felly, roedd dyfeisio’r transistor, a ddisodlodd falfiau electronig, yn ddatblygiad allweddol a drawsnewidiodd ddyluniad dyfeisiau electronig yn llwyr.
Felly, beth yw transistorau? Gwneir transistorau o led-ddargludydd sydd ddim yn ddargludydd (sy’n caniatáu i drydan lifo) nac yn ynysydd. Pan ychwanegir amhuredd, mewn proses a elwir yn amhureddu, at y lled-ddargludydd gellir gwneud iddo ymddwyn mewn ffordd debyg i falfiau a’i ddefnyddio fel switsh neu i chwyddo cerrynt trydan. Fe’i defnyddir i reoli llif cerrynt trydan rhwng pâr o derfynellau. Mae foltedd neu gerrynt a roddir ar un pâr o derfynellau’r transistor yn rheoli’r cerrynt trwy bâr arall o derfynellau. Mae transistorau yn llawer llai na falfiau, yn defnyddio llawer llai o bŵer, ac yn fwy cadarn. Gwnaethpwyd y transistor cyntaf o germaniwm yn 1947 gan John Bardeen a Walter Brattain yn labordy Bell yn yr Unol Daleithiau. Eu harweinydd oedd William Shockley, a ddatblygodd ddyluniad amgen a oedd yn haws ei gynhyrchu.
Cafodd y tri gwyddonydd hyn y Wobr Nobel Ffiseg yn 1956 am eu gwaith. Mae’r rhan fwyaf o’r transistorau’n defnyddio silicon a chynhyrchwyd y transistor silicon masnachol cyntaf gan Gordon Teal yn Texas Instruments yn yr Unol Daleithiau yn 19541. Mae Llun 3 yn dangos enghraifft o dransistor cynnar ar fwrdd cylched.
Roedd cynhyrchu transistorau dibynadwy yn heriol iawn oherwydd ymyrraeth a achoswyd gan amhureddau mewn germaniwm a silicon. Datblygwyd dulliau i gynhyrchu germaniwm a silicon pur iawn. Roedd transistorau germaniwm yn dioddef o’r anfantais nad oeddent yn gweithio uwchlaw tymheredd o tua 75° C.
Y datblygiad pwysig nesaf oedd y cylched cyfannol (CC), sy’n cynnwys haen o ddeunydd lled-ddargludydd (y cyfeirir ato’n gyffredin fel sglodyn), fel arfer silicon, sy’n cynnwys sawl transistor. Crëwyd y CC cyntaf gan Jack Kilby a Bob Noyce yn annibynnol yn 1958, a gyda gwelliannau mewn technoleg wrth i faint y transistorau leihau cynyddodd y nifer mewn CC. Roedd y cylchedau cyfannol cynnar yn cynnwys hyd at ddeg transistor. Dangosir enghraifft gynnar yn Llun 4.
Yn y degawdau dilynol bu gwelliannau mewn technoleg yn lleihau maint a chost transistorau, felly erbyn 1977 roedd transistor nodweddiadol yn ddim ond 2 ficron ar draws ac yn costio llai na 0.01 sent2. Rhagwelodd Gordon Moore, cyd-sylfaenydd y cwmni Intel, y byddai nifer y transistorau ar sglodyn yn dyblu bob blwyddyn, ond yn 1975 fe newidiodd hynny i bob yn ail flwyddyn3. Yn hynod, mae’r rhagfynegiad wedi dal ei dir yn dda, ac roedd y sglodyn mwyaf yn 2022 yn cynnwys 114 biliwn o dransistorau4 a dwysedd anhygoel o 135.6 miliwn o dransistorau/mm2 Mae’r graff isod (Llun 5) yn dangos y cynnydd yn nifer y transistorau mewn sglodyn dros 50 mlynedd5.
Datblygwyd y microbrosesydd cyntaf, cyfrifiadur sglodyn sengl, gan Intel yn 1974. Pan oedd fy mab hynaf yn bymtheg oed prynais ficrobrosesydd iddo, yr MK14 (Llun 6). Arweiniodd hyn at ei radd mewn Electroneg a gyrfa yn gweithio gyda chyfrifiaduron.
Felly, yn fy marn i, dyfais bwysicaf y can mlynedd diwethaf yw’r transistor. Fe arweiniodd at gylchedau cyfannol a alluogodd gynhyrchu ffurf fechan o bob math o offer megis radios (enghraifft gynnar oedd y radio transistor poced, gweler Llun 7), cyfrifiaduron, ffonau, cymhorthion clyw a dyfeisiau llywio lloeren ar gyfer cerbydau, awyrennau a llongau. Bellach, gall setiau teledu modern arddangos ein lluniau a’n fideos a chysylltu â’r rhyngrwyd.
Mae cyfrifiaduron yn enghraifft dda o effaith fawr ffurfiau bychain ar dransistorau. Mae cynhwysedd storio yn y sglodion cof mewn cyfrifiaduron modern fel yr Apple iMAC M1 Ultra, sydd ond yn 11.5mm o drwch (Llun 8), dros 10 miliwn gwaith yn fwy nag yn y cyfrifiadur Apple II (Llun 9) a gynhyrchwyd yn 1977. Wrth gwrs, mae yna gyfyngiad ar nifer y transistorau y gellir eu gwasgu ar sglodyn, felly beth am y dyfodol? Cyfrifiaduron cwantwm efallai, ond stori arall yw honno!
Bywgraffiad
Ar ôl ymddeol yn 1998 o’r adran Cemeg ym Mhrifysgol Abertawe penderfynais ddysgu Cymraeg er mwyn i fi allu darllen llyfrau Cymraeg ar gyfer fy ymchwil hanes teuluol. Wedyn dechreuais gystadlu am y Tlws Rhyddiaith i ddysgwyr yn yr Eisteddfod Genedlaethol. Ar ôl sawl blwyddyn heb llwyddiant dechreuais gystadlu am y Wobr Gwyddoniaeth a Thechnoleg. Roeddwn wrth fy modd i ennill dwy wobr yn 2022 a 2023.
Cyfeiriadaeth
1 M. Riordan & L. Hoddeson, Crystal Fire, 1997, t. 209.
2R. N. Noyce, 1977. ‘Microelectronics’, Scientific American, 237, rhif. 3, 62-69.
4S. Shankland, ‘Ultra: Apple just unveiled the most powerful Mac chip’, CNET, 2022.
