Микрочип: схема, изменившая мир
- Планарный транзистор На смену германиевым диффузионным транзисторам пришли кремниевые, произведенные посредством планарного процесса — последовательным нанесением слоев полупроводников металлических контактов и нужного типа.
Американские создатели транзистора Уильям Шокли, Джон Уолтер и Бардин Браттейн получили мировую славу и во второй половине 50-ых годов двадцатого века были удостоены Нобелевской премии. Германским физикам Герберту Матаре и Генриху Велкеру, каковые, трудясь во Франции, всего полугодом позднее самостоятельно изготовили точечный транзистор, было нужно удовольствоваться французским патентом и очень краткосрочной известностью, не вышедшей за пределы Европы. Интегральная схема также имела свободных авторов.
Как часто случается, их имена известны широкой публике куда лучше конкретных событий изобретения микрочипа.
Тирания чисел
Пришествие твердотельной электроники положило начало подлинно мультиэлементным совокупностям. Так, созданный во второй половине пятидесятых годов командой Сеймура Грея первый чисто полупроводниковый компьютер, 48-битный CDС 1604, складывался из 25 000 транзисторов, 100 000 диодов и конденсаторов тысяч и сотни резисторов.
И вот тут-то появилась малоприятная неприятность. Компоненты электронных схем соединяли проводами одним-единственным методом — посредством пайки. Это была трудоемкая и недешевая ручная работа, чреватая многими неточностями (так как ее делали не роботы, а люди). В начале транзисторной эры в принципе возможно было спроектировать совокупность чуть ли не любой степени сложности, но ее изготовление обычно появилось непомерно тяжёлой задачей.
Более того, технологии сборки мешали продвижению сложных совокупностей на рынок бытовой электроники, которому требовались большие количества производства, умеренные цены и компактность. Эти технологии всё хуже трудились и для громадных компьютеров, потому, что соединительные цепи длиной в километры снижали их быстродействие.
В общем, уже в середине 1950-х годов на пути к осуществлению надежд, возложенных на транзисторы, поднялось значительное препятствие, которое именовали проблемой межкомпонентных соединений либо, неформально, тиранией солидных чисел. Его пробовали преодолеть методом уменьшения размеров элементов электронных применения и схем модульной сборки, но без особенного успеха. Требовалась принципиально идея.
И она не вынудила себя продолжительно ожидать.
Жаркое место
Джек Сент-Клер Килби появился 8 ноября 1923 года в городе Джефферсон-Сити в штате Миссури. Его папа был инженером-электриком, вставшим до поста президента Канзасской электрической компании. Сын отправился по стопам родителя: во второй половине 40-ых годов двадцатого века окончил университет штата Иллинойс с дипломом бакалавра-электротехника и отыскал место в компании Centralab в городе Милуоки, а через три года стал магистром в Висконсинском университете.
Маленькая компания, где трудился Килби, по большей части создавала относительно несложные радиодетали. В первой половине 50-ых годов двадцатого века она купила у Bell Laboratories лицензию на изготовление транзисторов, и юный инженер много сделал для отладки новой разработке. Он взял около дюжины патентов, получил хорошую опытную репутацию, но вот работа ему наскучила. Килби не только осознавал, что будущее твердотельной электроники зависит от победы над тиранией солидных чисел, но и вычислял себя талантливым ее одержать.
Для этого была нужна должность исследователя в компании с важными интересом и финансовыми ресурсами к новым разработкам. В начале 1958 года он разослал резюме по нескольким перспективным адресам и взял предложения от таких гигантов электронной индустрии, как IBM и Motorola.
Но Килби предпочел менее известную корпорацию Texas Instruments, где несколькими годами ранее физик Гордон Тил и физхимик Виллис Эдкок создали первую действенную разработку изготовления кремниевых транзисторов (до этого их делали лишь на базе германия). В те времена компанией руководил очень дальномыслящий президент Патрик Хагерти, поручивший Эдкоку возглавить работы по радикальному устранению неприятности межкомпонентных соединений.
В мае Килби перевез семью в Даллас и приступил к работе в свежеотстроенном корпусе, где еще кроме того не действовали кондиционеры. Ужасная техасская жара не помешала ему скоро отыскать ответ поставленной задачи. Килби додумался, что из полупроводников возможно сделать все главные компоненты электронной схемы, в случае если верно подобрать легирующие присадки. А раз так, то в принципе нет ничего, что мешает разместить эти компоненты на неспециализированной матрице.
24 июля 1958 года он записал эту великую идею в лабораторном издании в одной-единственной фразе, которая вошла в историю электроники.
Но пока это была только теория. В то время, когда Килби продемонстрировал собственные наброски Эдкоку, тот не выказал особенного энтузиазма, но все же поручил Килби по-новому изготовить несложную радиосхему и дал обещание разрешить предстоящие опыты, если она окажется успешной. Килби вызов принял и вручную встроил в германиевую пластинку подробности стандартной электронной цепи, преобразующей постоянный ток в переменный (это был генератор гармонических колебаний с фазосдвигающей обратной связью).
Смотрелся он неуклюже, что и немудрено: для соединения блоков употреблялись навесные железные провода. 12 сентября Килби продемонстрировал собственный детище громадным боссам корпорации. На прибор подали ток от батареи, и на экране осциллоскопа высветилась зеленоватая синусоида.
Первая в мире интегральная схема показала собственную работоспособность.
«Восьмерка предателей»
Третий сын конгрегационалистского пастора, чей предок приплыл в Америку на легендарном «Мэйфлауэре», Роберт Нортон Нойс показался на свет 12 декабря 1927 года в мелком кроме того на данный момент, а тогда вовсе маленьком Берлингтоне в штате Айова. Детские увлечения радиотехникой и авиамоделизмом привели его в аспирантуру Массачусетского технологического университета, где в 26 лет он защитил диссертацию по физике. Еще в колледже он увлекся транзисторами и исходя из этого, остепенившись, пришел в филадельфийскую компанию Philco, которая занималась ими очень без шуток.
Подобно Килби, Нойс скоро сделал себе имя в твердотельной электронике. В начале 1956 года его пригласил к себе в компанию Уильям Шокли, покинувший Bell Laboratories, дабы заняться полупроводниковыми устройствами, и Нойс перебрался в Калифорнию, в город Маунтин-Вью, расположенный южнее Сан-Франциско в равнине Санта-Клара, которую лет через 15 нарекли Кремниевой равниной. Но, он в том месте не задержался.
Шокли был нехорошим менеджером и практически распугал лучших сотрудников. В следствии во второй половине 50-ых годов XX века Нойс и еще семеро молодых талантов ушли на свободные хлеба и при денежной помощи изобретателя и промышленника Шермана Фэйрчальда основали компанию Fairchild Semiconductor Corporation. В «восьмерку предателей», как обозвал их Шокли, входили физико-химик Гордон Мур (да-да, тот самый, что позднее придумал «закон Мура») и появившийся в Швейцарии физик Жан Эрни.
С него-то и началась цепочка технологических новшеств, которая привела Нойса к изобретению интегральной микросхемы.
Поверх краски
Юная компания создавала транзисторы новейшим по тем временам способом диффузии легирующих примесей. При всех его преимуществах часть отбракованных из-за загрязнений изделий достигала 90%. Эрни внес предложение защищать кремниевые матрицы от повреждения посредством узкой пленки диоксида кремния.
В ходе изготовления транзистора пленку зачищали в территориях диффузии, а после этого для сохранения изоляции восстанавливали. Юрист компании Джон Раллс усмотрел перспективность данной идеи и попросил составить патентную заявку с расчетом на возможность более широких приложений. Раллс не совершил ошибку — способ Эрни лег в базу целого семейства полупроводниковых разработок, известных как планарные процессы.
Эти начал и приложения обдумывать Нойс, возглавивший исследовательский отдел компании. Тут-то он и додумался, что на оксидную пленку возможно нанести узкие полосы меди либо иного металла, каковые соединят транзисторы, прочие элементы и конденсаторы электронной схемы. А из этого уже было неподалеку до мысли, что и сами эти элементы возможно встроить в кремниевую матрицу посредством избирательного легирования.
Сходная мысль шестью месяцами ранее осенила и Килби, но Нойс пришел к ней второй дорогой. И оба дороги пересеклись на рождении микрочипа.
Нойс систематично обсуждал собственные прозрения с Муром, что принимал их без особенных возражений. 23 января 1959 года он обрисовал собственный изобретение на четырех страницах лабораторного издания. Так появилась калифорнийская версия интегральной схемы — в отличие от техасской до тех пор пока всего лишь на бумаге.
Тем временем в Далласе
Еще в сентябре 1958 года Килби и его ассистенты изготовили новым способом второй электронный прибор, полупроводниковый триггер. Однако управление Texas Instruments не пропагандировало новое изобретение и не планировало его применение. Более того, компания не торопилась и с патентной заявкой.
Но 28 января 1959 года в Далласе зашевелились: прошел слух, что соперничающая компания RCA создала личный микрочип и вот-вот его запатентует. Информация была фальшивой, но привела к беспокойству. Корпорация обратилась к вашингтонской юридической компании Stevens Davis Miller & Mosher, специализирующей на патентных делах, и поручила ей как возможно стремительнее оформить права на изобретение Килби.
Ввиду особенной важности дела им занялся сам Эллсворт Мошер, авторитетнейший юрист-патентовед. Для подготовки документации он "настойчиво попросил" монтажную схему микрочипа. Килби к этому времени уже понял, что от внешней электропроводки нужно избавиться, и приступил к разработке аналога планарного процесса (уже изобретенного Жаном Эрни). Однако в качестве иллюстрации к патентной заявке Килби представил схему одного из первых чипов с навесными проводами из золота.
Действительно, он подчернул, что проводящие цепи возможно конкретно накладывать на изолирующее покрытие, но на этом и остановился. 6 февраля Бюро патентов зарегистрировало заявку Килби.
Патентные войны
Данной помой-му неважной подробности была суждена ключевая роль в патентной битве между Кремниевой долиной и Далласом. Fairchild Semiconductor Corporation в начале 1959 года выпустила в продажу собственный первый уникальный продукт — транзистор, изготовленный способом двойной диффузии. Интегральную схему Нойс покинул про запас — тогда ему казалось, что обстоятельств для спешки нет.
Но в первых числах Марта он и его сотрудники выяснили, что корпорация Texas Instruments скоро заявит о разработке интегрированных твердотельных схем. Так и случилось — изобретение Килби было показано 24 марта в Нью-Йорке на протяжении съезда Университета радиоинженеров. К этому времени инженеры компании Texas Instruments изготовили последовательность интегральных схем без навесных проводов, каковые и были представлены на ее стенде.
Не смотря на то, что более подготовленной публики не было возможности и хотеть, новинка, как ни необычно, никого особенно не заинтересовала. Кроме того опытный издание Electronics упомянул о ней только через 14 дней, причем в одном-единственном абзаце.
Но в Калифорнии мгновенно почувствовали, что Fairchild Semiconductor реально угрожает утрата приоритета. Нойс замечательно осознавал, что его заявка обязана значительно отличаться от заявки соперников. Исходя из этого они с Раллсом очень выделили, что изобретение Нойса делает излишним использование внешней проводки.
Содержания заявки Килби они не знали (Бюро патентов США не раскрывает сведений на стадии рассмотрения документов), но Нойс имел основания предполагать, что по данной части его компания опередила техасских соперников.
Потом последовала судебная битва, растянувшаяся на десять лет. Юристы обеих сторон проявляли изощренное хитроумие, и в итоге победа осталась за Нойсом. 6 ноября 1969 года апелляционный суд по делам таможенных сборов и патентов признал его единственным изобретателем микрочипа.
Мошер апеллировал к Верховному суду США, но его петиция была отклонена.
Самое увлекательное, что ответ суда фактически ничего не поменяло. И специалисты, и политики, и публика уже замечательно знали, что это великое изобретение имеет двух полноправных авторов. Оба взяли за него National Medal of Science (Килби во второй половине 60-ых годов двадцатого века, Нойс — в 1979-м) и National Medal of Technology (соответственно в 1990 и 1987 годах).
Более того, никак не пострадали и денежные интересы обеих компаний. Еще во второй половине 60-ых годов двадцатого века Texas Instruments и Fairchild Semiconductor признали приятель за втором равные права на интегральную схему (остальные компании, захотевшие создавать микрочипы, должны были брать у них лицензии). Так что, по сути, долгая тяжба была никому не нужна.
От ракет до калькулятора
Интегральные схемы были запущены в серийное производство в начале 1961 года, в то время, когда для этого показалась технологическая база. Первой их выпустила в продажу (в шести вариантах) компания Fairchild под именем микрологических элементов. Через пара недель на рынке показались и микрочипы от Texas Instruments — по терминологии корпорации, твердотельные цепи.
Стоили они весьма дорого (сначала более $100) и потому для бытовой электроники никак не годились. Первые три года их закупали лишь федеральные ведомства, в основном Пентагон и NASA. Микрочипы стали базой электроники межконтинентальных ракет MinutemanII, запускаемых с подводных лодок баллистических ракет Polaris А2 и А3, бортовой авионики новых боевых самолетов — но, всего не перечесть.
В ноябре 1963 года был запущен спутник Explorer-18 — первый космический аппарат, начиненный микрочипами. В том году в Соединенных Штатах было реализовано полмиллиона интегральных схем, спустя год — уже два миллиона. Благодаря возросшим количествам производства средняя удельная стоиость микрочипа в первой половине 60-ых годов двадцатого века снизилась до 18 долларов 50 центов.
Стоит отыскать в памяти, что тогдашние самые совершенные интегральные схемы содержали не больше шести десятков компонентов.
Тогда же, в первой половине 60-ых годов двадцатого века, микрочипы начали применять и в бытовой электронике — они начинали в слуховом аппарате Arcadia компании Zenith Radio Corporation. Но их настоящий успех состоялся весной 1971 года, в то время, когда Texas Instruments выпустила в продажу первый в мире электронный калькулятор Pocketronic (Примечательно, что он показался в магазинах 14 апреля, именно незадолго до официальной даты представления налоговых объявлений).
Команда Килби создала его четырьмя годами ранее — столь большая задержка опять-таки была обусловлена трудностями массового производства. Стоила эта игрушка $150, весила больше килограмма, печатала результаты на термочувствительной бумаге (дисплея не было вовсе) и к тому же была научена лишь четырем действиям математики. Однако Pocketronic имел большой успех — уже в первой половине 70-ых годов двадцатого века количество его продаж достиг пяти миллионов.
А в ноябре того же 1971 года компания Intel Corporation, созданная покинувшими корпорацию Fairchild Нойсом и Муром, представила первый в мире универсальный процессор, известный Intel 4004, начав новую — компьютерную — эру в истории людской цивилизации.
Пионеры электроники: первые в мире
- 1
2
3
4
1) Первый полупроводниковый компьютер CDC-1604 складывался из 25 000 транзисторов. Он занимал громадный зал, делал 34 000 вычислительных циклов в секунду и потреблял 15 кВт электричества.
2) Первый процессор Intel 4004 содержал 2300 транзисторов и делал 92 000 руководств в секунду, потребляя менее 1 Вт.
3) Мозгом первого калькулятора Pockettronic помогали три интегральные схемы Texas Instruments — TMC1731, TMC1732 и TMC1730.
4) Первый пример бытовой электроники — слуховой аппарат Arcadia от Zenith Radio Corporation.
судьбы и Люди
Судьбы создателей микрочипа сложились неодинаково, но весьма по-американски. Роберт Нойс стал магнатом, миллиардером, фаворитом и любимцем публики СМИ. Но прожил он недолго.
3 июня 1990 года его поразил широкий инфаркт, и через час он умер от остановки сердца.
Джек Килби проработал в Texas Instruments до 1983 года. В 1985-м он ушел и из Техасского университета A&M, где был доктором наук электротехники. Миллионером Килби не стал, но жил в полной мере удобно.
20 июня 2005 года он года умер в Далласе от рака.
Килби удостоился множества призов, а также девяти почетных докторских степеней. Среди
его премий две носят имена переселившихся в Соединенных Штатах превосходных русских изобретателей и инженеров — Владимира Зворыкина (присуждена в 1975 году) и Владимира Карапетова (1999). В первой половине 90-ых годов двадцатого века Килби получил премию Киото, японского аналога Нобелевской премии. 10 ноября 2000 года король Швеции Карл XVI Густав вручил Джеку Килби Нобелевскую премию в области физики.
воплощение и Идея
Примечательно, что принципиальная возможность интеграции всех подряд элементов электронной цепи в единую полупроводниковую матрицу была понята еще в начале 50-х годов. Считается, что первым к данной идее пришел британский инженер-электронщик Джеффри Даммер, что в мае 1952 года представил ее в докладе на конференции в Вашингтоне. Пятью годами позднее он кроме того выстроил модель для того чтобы устройства и показал ее на интернациональном симпозиуме.
Но на практике эту возможность осуществили только изобретатели микрочипа — Джек Килби и Роберт Нойс.
От малых до гигабольших
С момента разработки количество элементов в интегральных схемах (ИС) значительно возросло. Это число характеризует степень интеграции ИС. Существуют разные классификации ИС по степени интеграции, но в целом она выглядит приблизительно так.
В случае если схема содержит до 100 элементов, ее относят к малым интегральным схемам (МИС, за границей SSI — small-scale integration). При повышении количества элементов на порядок (до 1000) — к средним ИС (СИС, MSI — medium-scale integration), еще в 10 (до 10 000) — к громадным (БИС, LSI — large-scale integration). При количестве элементов до 1 млн схема считается очень большой — СБИС (very-large-scale integration, VLSI), до 1 млрд — ультрабольшой (УБИС, ultra-large-scale integration — ULSI), более 1 млрд — гигабольшой (ГБИС, WSI — wafer-scale integration).
Время от времени последние два класса (УБИС, ГБИС) относят к подклассам СБИС. Пара в стороне от данной классификации стоят совокупности на кристалле (SoC, system-on-a-chip), воображающие собой единое устройство, выполненное на едином кристалле, и схемы с трехмерной архитектурой (3D-IC).
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№113, март 2012).
<
h4>