Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Слайсы, которые стали чипами

АрхивПлатформа
автор : Юрий Ревич   03.04.2009

Полвека назад, в марте 1959 года, компания Texas Instruments впервые публично продемонстрировала эпохальное изобретение: интегральную схему. Хотя, строго говоря, свое изобретение Джек Килби сделал несколько раньше.

Ровно полвека назад, в марте 1959 года, компания Texas Instruments впервые публично продемонстрировала эпохальное изобретение: интегральную схему.

Большинство источников привязывает дату рождения микросхемы именно к 1959 году, хотя, строго говоря, свое изобретение Джек Килби (Jack Kilby) сделал несколько раньше. История о том, как сотрудник Texas Instruments, лишившийся летнего отпуска из-за недавнего поступления на работу, жарким июлем 1958-го размышлял в пустой лаборатории над методами повышения надежности ракетной электроники, широко известна, в том числе и с его собственных слов. Килби должен был придумать, как избавиться от микромодулей - небольших плат, на которых из дискретных элементов монтировались схемы типовых узлов электронной аппаратуры. Одно только количество ручных паек делало эти модули слабым звеном всей системы, а их дороговизна превышала все разумные пределы.

Кто, что и когда

К середине прошлого века идея о том, что функции основных элементов электрической схемы можно реализовать в одном материале - полупроводнике, что называется, витала в воздухе. Так, в 1952 году сотрудник Британского королевского радиолокационного управления Джеффри Даммер (Geoffrey Dummer) на конференции по электронным компонентам в Вашингтоне говорил: "Можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов. Блок может состоять из слоёв материала, обладающего разными свойствами,- изолирующего, проводящего, выпрямляющего, усиливающего,- в которых определённые участки вырезаны таким образом, чтобы непосредственно выполнять электрические функции". Даммер даже попытался реализовать идею "в железе", но потерпел фиаско. Были, впрочем, и успешные попытки: например, в 1956 году сотрудники фирмы Bell Labs Д’Асаро (D’Asaro) и Росс (Ross) изготовили аж целую схему двоичного счетчика в едином кристалле. Однако до практического применения дело ни у кого не дошло.

По специальности Килби был тем, кого теперь называют схемотехниками, то есть его обязанностью было придумывать электрические схемы, исполняющие заданные функции оптимальным образом. И к поставленной задаче он подошел именно с позиций схемотехники. Электронные схемы на 99% состоят лишь из трех элементов: транзисторов, резисторов и конденсаторов (четвертая разновидность - диоды - легко реализуется на основе транзисторных структур). Транзисторы уже и так делались из полупроводника, резисторы можно изготовить из объёмного полупроводника с присадками (для придания нужной проводимости), а в качестве конденсаторов Килби придумал использовать емкость обратносмещенного p-n-перехода.

Джек Килби (1923-2005)

12 сентября 1958 года он продемонстрировал начальству три макета генератора высокочастотных импульсов (1,3 МГц), все элементы которого были полупроводниковыми, из германия. Элементы скреплялись воском и путем контактной сварки соединялись между собой золотыми проволочками (что метко прозвали "волосатой технологией"). В дальнейшем Килби отказался от воска и сумел реализовать все элементы на одном кристалле. В результате родилась микросхема Type 502 - триггер, содержащий шесть транзисторов. Она-то и была продемонстрирована на презентации в марте следующего года, а месяцем раньше Килби подал патентную заявку. Type 502 даже некоторое время продавалась по цене 450 долларов.

Казалось бы, все шло замечательно, но Килби, увы, не был технологом. Ему так и не удалось справиться с двумя главными проблемами, препятствующими решению задачи в том виде, в каком её поставил Даммер, и получить законченный функциональный узел на одном кристалле: во-первых, избавиться от "волосатой технологии" межсоединений, и во-вторых, изолировать элементы друг от друга. А без этого микросхемы получались ничуть не надежнее и не дешевле микромодулей, от которых и стремились избавиться.

Роберт Нойс (1927-1990)

Разгрыз крепкие орешки Роберт Нойс (Robert Noyce), второй признанный изобретатель интегральной схемы, тогда - директор по разработкам компании Fairchild Semiconductor. Говорят, что Нойс загорелся идеей микросхемы, прослышав о достижениях Килби, - но это не важно, с тем же успехом он мог прочесть доклад Даммера или ознакомиться с патентами Харвика Джонсона (Harwick Johnson) из RCA, который застолбил идею однокристального генератора ещё в 1953 году. В отличие от Килби, Нойс был технологом, химиком по специальности, и мыслил сразу в категориях производства: а как мы будем изготавливать микросхемы в массовом порядке? Кроме того, Нойс ориентировался не на стремительно устаревающий германий, как Килби, а на перспективный кремний.

Отсюда и характерные задержки: впервые задумавшись над интегральными схемами в январе 1959 года, Нойс только в июле подал патентную заявку, а в августе поручил члену своей команды Джею Ласту (Jay Last) проработать технологию. Так как в Fairchild не было своих схемотехников, специалист был приглашен со стороны. И только 26 мая 1960 года был изготовлен первый экспериментальный триггер, а для запуска первой серии микросхем резисторно-транзисторной логики (РТЛ) под названием µLogic понадобился ещё почти год.

Достижения Нойса базировались на нескольких технологических инновациях, что позволило ему сразу создать монолитный чип 1. Это прежде всего изоляция элементов друг от друга с помощью обратносмещенных p-n-переходов (что придумал не Нойс, а физик Курт Леховек из Sprague Electric) и алюминиевые межсоединения. Последние создавались методом напыления по шаблону поверх изолирующей пленки двуокиси кремния (как вариант - методом фотолитографии). Нойсу удалось показать, что алюминий прекрасно "прилипает" к поверхности кремния, проникая через отверстия, оставленные в окисле, чего никто не ожидал.

Некоторые подробности

Все рассказанное выше широко известно. А вот то, что известно далеко не всем. В истории с изобретением Нойса фигурирует по крайней мере ещё один человек, которого вполне можно считать соавтором. Ибо в способе производства микросхем, придуманном Нойсом, определяющим фактором была планарная технология, изобретенная Джином Хорни (Jean Hoerni2).

До Хорни транзисторы изготавливались в основном по мезатехнологии, разработанной в Bell Labs. В этом способе, хорошо приспособленном к германию, выводы получались с разных сторон кристалла, причем каждый транзистор приходилось обрабатывать дополнительно. В планарной же технологии выводы получались в одной плоскости и с одной стороны кристалла. Поэтому отдельные транзисторы можно было вообще не отпиливать от кристалла, если придумать, как изолировать друг от друга коллекторы (что и сделал Нойс с помощью p-n-переходов). Другой особенностью этой технологии было то, что специально формировался изолирующий слой двуокиси кремния, защищавший выводы. Оставалось научиться использовать его для прокладки сверху алюминиевых соединений (как это сделать, тоже придумал Нойс). Историк технологий из Стэнфордского университета Кристоф Лекуер (Christophe Lecuyer) назвал планарный процесс "важнейшим новшеством в истории полупроводниковой промышленности".

Но самое интересное в судьбе интегральной схемы случилось гораздо позже. Когда в 1962 году было окончательно налажено производство микросхем, их выпуск составлял всего несколько тысяч в год, а потребителями были только военные (в частности, разработчики известных межконтинентальных баллистических ракет "Минитмен"). Они, может быть, и доказали преимущества интегральных схем в схемотехническом плане, но производителей отпугивала жуткая дороговизна и дефицитность. Характерно, что когда IBM в своей новой системе IBM/360 в 1964 году решила перейти на интегральные схемы, она не придумала ничего лучшего, чем организовать собственное производство гибридных толстопленочных схем, а вовсе не полупроводниковых микросхем. И казалось, что история затормозилась: из-за высокой стоимости производства (помещения без пыли, особо чистые материалы) и низкого выхода годных (даже для простых транзисторов едва натягивали 15%) микросхемы были дороги, а потому их никто не хотел покупать. Круг замкнулся.

Изобретателем "правильного" способа торговли полупроводниковыми изделиями стал не инженер, а маркетолог. Звали его Джереми Сандерс (Jeremiah Sanders), он пришел в Fairchild Semiconductor в 1961 году. У него было инженерное образование в области электроники, но, видимо, его детская мечта стать артистом в конце концов повлияла на выбор профессии: в Fairchild Сандерс занял должность директора по маркетингу. Он первым понял, что, в отличие от множества других товаров, себестоимость микросхемы с увеличением объёма производства стремится к нулю: автомобиль, хоть тресни, не сделаешь дешевле материалов, из которых он изготовлен, тогда как стоимость исходных материалов для микросхемы пренебрежимо мала.

Как Сандерс стал действовать, проще всего проиллюстрировать историей из архива компании AMD (которой Сандерс позже руководил). В ассортименте Fairchild был транзистор под названием 1211, себестоимость которого составляла $100, а продавали его военным за $150. Случилось так, что руководство Федеральной комиссии по связи США постановило оснастить все будущие модели телевизоров UHF-тюнерами, для создания которых 1211-й подходил замечательно. Только вот 150-долларовый компонент абсолютно не годился для массового рынка: компания RCA выпускала электронную лампу Nuvistor, которая подходила для этих тюнеров хуже, зато стоила всего доллар пять центов. Сандерсу повелели разбиться в лепешку, но снизить цену транзистора до приемлемых $5. Но Сандерс мыслил в других категориях: он взял и снизил цену до тех же $1,05 (напомним, при себестоимости $100!). В результате между 1963 и 1965 годами Fairchild завоевала до 90% американского рынка UHF-тюнеров, а в начале 1970-х продавала этот транзистор уже по пятнадцать центов. С тех пор абсолютно все компании в сфере хайтека действуют по этому шаблону. Вот так микросхемы и вошли в нашу жизнь...

Чем закончилась история с собственно изобретением микросхемы, общеизвестно. TI, немного поигравшись с достижениями Килби, тоже перешла на планарную технологию с алюминиевыми межсоединениями, причем именно ей довелось ввести отраслевой стандарт: выпускающуюся и поныне в различных вариантах серию 7400 (5400 в военной версии) транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). А с патентами случилось вот что: Нойсу патент выдали уже в 1961 году, а Килби вообще давать не хотели, настолько неубедительной была его разработка. Он подал в суд и в результате получил патент только летом 1964 года. После ещё десяти лет разбирательств апелляционный суд постановил считать изобретателями микросхемы обоих: Роберта Нойса, как создателя реальной технологии, а Джека Килби, как создателя первой работающей микросхемы. Поскольку Нойс скончался в 1990 году, Нобелевскую премию в 2000-м получил один Килби, что многие ветераны Кремниевой Долины сочли не совсем справедливым.

Ну и до кучи упомянем, что СССР к 1962 году тоже успел наладить на Рижском заводе выпуск микросхем для военных целей, причем по оригинальной технологии на основе германия3. Правда, до массового производства руки дошли гораздо позже, и это уже были копии западных разработок.

Честные детишки

О роли Fairchild Semiconductor не только в электронной промышленности, но и вообще в сфере высоких технологий написаны тома. Фирма была создана в 1957 году восемью сотрудниками компании Уильяма Шокли (William Shockley, изобретатель транзистора), за что последний обозвал их "восьмеркой предателей" (кстати, одной из причин ухода была категорическая приверженность консерватора Шокли к германию вместо перспективного кремния). Среди "беглецов" был и Роберт Нойс, ставший в Fairchild директором по разработкам, и Гордон Мур (Gordon Moore), автор знаменитого "закона Мура", и некоторые другие герои нашего повествования (см. фото).

Роберт Нойс (справа лицом к остальным) и другие из "восьмерки предателей", слева направо:
стоят Виктор Гринич, Гордон Мур, Джулиус Бланк, Юджин Клейнер, Джин Хорни (наклонился),
сидят Джей Ласт и Шелдон Робертс

Кроме изобретения интегральной схемы, планарной технологии и разработки маркетинговой модели для полупроводникового производства, в послужном списке Fairchild Semiconductor - первое в отрасли применение венчурной модели финансирования разработок, связанное с именем известного финансиста и миллиардера Артура Рока (Arthur Rock). К другим известным достижениям относятся разработанные Робертом Видларом (Robert J. Widlar) интегральные операционные усилители, ставшие второй по популярности после логических чипов разновидностью микросхем, и придуманные им же интегральные стабилизаторы питания. Добавим сюда технологию КМОП, разработанную Фрэнком Вонласом (Frank Wanlass), и выпуск уже в 1973 году первых ПЗС-матриц...

В Кремниевой Долине быстро привыкли, что основатели новых полупроводниковых компаний происходят из "fairchildren". Мур и Нойс, как известно, в 1968 году создали Intel, в чем им помог всё тот же Артур Рок. А вот их коллеге Джереми Сандерсу, создавшему в 1969 году компанию AMD, Рок помогать отказался, заявив: "Все технологические компании, на которых я терял деньги, были основаны людьми из отдела маркетинга". Зато одним из тех, кто вложил определенную сумму в основание AMD, стал Роберт Нойс: если Intel хотела участвовать в правительственных заказах, ей был необходим конкурент. Кроме этих самых знаменитых свершений, Робертс Шелдон (Roberts Sheldon) вместе с Джином Хорни и Джеем Ластом основали компанию Amelco (ныне, после ряда продаж и слияний, она вошла в состав Microchip). Хорни потом еще стал основателем Intersil, действующей и поныне, в чём ему тоже помог вездесущий Артур Рок. Несколько "fairchildren" во главе с Дэвидом Аллисоном (David Allison), бывшим сотрудником того же Шокли, основали Signetics, которая позже стала американским подразделением Philips. Юджин Клейнер (Eugene Kleiner) основал венчурный фонд Kleiner Perkins Caufield & Byers, Виктор Гринич (Victor Grinich) стал профессором в Беркли и Стэнфорде...

Судьба самой Fairchild Semiconductor сложилась печальнее. Дело в том, что компания изначально была не самостоятельной единицей, а подразделением холдинга Шермана Фэйрчайлда (Sherman Fairchild, откуда и название), поэтому к концу 1960х начали накапливаться проблемы, и люди стали уходить. В 1979 Fairchild была продана интернациональной топливной компании Schlumberger Limited. Существованием той Fairchild Semiconductor, которая сегодня успешно действует на рынке полупроводников, мы обязаны уже не "восьмерке предателей", а компании National Semiconductors. В 1987 году она выкупила Fairchild за смешную даже по тем временам сумму 200 млн. долларов, а в 1997-м, при реорганизации NS, Fairchild Semiconductor была возрождена под своим исконным именем.


Из еженедельника "Компьютерра" № 12 (776)

1. Наряду с прижившимся названием chip (щепка, осколок) Нойс рассматривал и slice (ломтик, пластинка). [назад]

2. В русской транскрипции его как только ни называли. На самом деле он швейцарский француз по происхождению, и в оригинале его имя звучит как Жан Эрни, но в американской традиции он все-таки Джин Хорни. [назад]

3. www.computer-museum.ru/histekb/integral_1.htm. [назад]

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.