Первая интегральная микросхема (1958)

Тирания чисел

После изобретения транзистора в 1947 году электроника стала стремительно усложняться. Транзисторы были меньше, надежнее и экономичнее электронных ламп, и инженеры начали проектировать все более сложные устройства: компьютеры, системы управления ракетами и самолетами, радиолокаторы. Но каждый транзистор, резистор, конденсатор и диод оставался отдельной деталью, которую нужно было вручную соединять с другими проводами, припаивая контакты.

Сложный компьютер требовал десятков и сотен тысяч деталей и миллионов паяных соединений. Каждое соединение могло отказать, и чем больше было деталей, тем ниже становилась надежность устройства. Сборка требовала огромного труда, а размеры и вес аппаратуры росли. Инженеры назвали эту проблему «тиранией чисел». Для ракет и самолетов, где каждый грамм был на счету, а отказ мог стоить жизни, она была особенно острой. Военные финансировали десятки программ миниатюризации: детали делали все меньше и упаковывали все плотнее, но принципиально задача не решалась.

Мысль о том, что всю схему можно сделать единым целым, высказывалась и раньше. Британский инженер радиолокационного института Джеффри Даммер в 1952 году на конференции в Вашингтоне предположил, что электронное оборудование можно будет изготавливать в виде сплошного блока без соединительных проводов, состоящего из слоев изолирующих, проводящих и полупроводниковых материалов. Однако создать такое устройство ему не удалось, а британские власти не поддержали его идею.

Килби

Джек Сент-Клер Килби родился в 1923 году в Джефферсон-Сити в штате Миссури и вырос в Грейт-Бенде в Канзасе, где его отец руководил небольшой электрической компанией. Еще школьником он увлекся радиолюбительством, наблюдая, как отец во время снежной бури поддерживал связь с отдаленными клиентами с помощью любительских радиостанций. Килби мечтал учиться в Массачусетском технологическом институте, но не сдал вступительный экзамен по математике и поступил в Иллинойсский университет. Во время Второй мировой войны он служил в армии, ремонтируя радиостанции на базе в Индии.

После войны Килби работал в компании «Сентралаб» в Милуоки, производившей электронные детали для слуховых аппаратов и радиоприемников, и занимался миниатюризацией схем. В мае 1958 года 34-летний инженер, высокий, неторопливый и немногословный, перешел в техасскую компанию «Техас инструментс» в Далласе, которая одной из первых начала выпускать транзисторы и кремниевые транзисторы.

Летние каникулы

В июле 1958 года большинство сотрудников «Техас инструментс» ушли в традиционный коллективный отпуск. Килби, проработавший в компании всего два месяца, отпуска не имел и оставался почти один в опустевшей лаборатории. Он размышлял над задачей миниатюризации, которой занималась компания по заказу армии. И ему пришла в голову простая, но революционная идея: если все детали схемы - транзисторы, резисторы, конденсаторы - можно изготовить из одного и того же полупроводникового материала, то их можно создать и на одном кусочке этого материала, сделав соединения между ними прямо на кристалле.

24 июля 1958 года Килби записал свою идею в лабораторный журнал. Когда руководство вернулось из отпуска, он предложил ее своему начальнику. Тот поначалу отнесся к ней скептически, но разрешил сделать опытный образец.

12 сентября 1958 года

Килби взял пластинку германия длиной около одного сантиметра и шириной около полутора миллиметров и создал на ней схему генератора - устройства, вырабатывающего переменный электрический сигнал. Она состояла из транзистора, нескольких резисторов и конденсатора. Отдельные элементы на кристалле были соединены тонкими золотыми проводками, припаянными вручную, а вся конструкция была закреплена на стеклянной подложке воском. Устройство выглядело кустарно, но в нем впервые все элементы схемы были сделаны из одного полупроводникового кристалла.

12 сентября 1958 года Килби продемонстрировал прибор руководству компании. Он подключил питание, и на экране осциллографа появилась ровная синусоида. Схема работала. Килби, по воспоминаниям, позднее говорил, что не предполагал тогда, какое значение будет иметь его изобретение. В феврале 1959 года компания подала заявку на патент «Миниатюризированные электронные схемы», а в марте объявила об изобретении на выставке радиоинженеров в Нью-Йорке.

Нойс и планарная технология

Изобретение Килби имело серьезный недостаток: соединения между элементами по-прежнему делались вручную тонкими проводками, и наладить массовое производство таких схем было трудно. Решение пришло из Калифорнии.

Роберт Нойс родился в 1927 году в семье священника в Айове, окончил колледж Гриннелл и получил докторскую степень по физике в Массачусетском технологическом институте. В 1956 году он перешел в лабораторию Уильяма Шокли, одного из изобретателей транзистора, а в 1957 году вместе с семью коллегами ушел от тяжелого и подозрительного Шокли и основал компанию «Фэйрчайлд семикондактор». Шокли назвал их «вероломной восьмеркой».

В «Фэйрчайлд» швейцарский физик Жан Эрни в 1959 году изобрел «планарный процесс»: на поверхность кремниевой пластины наносился защитный слой оксида кремния, а в нем с помощью фотолитографии - метода, подобного фотопечати, - протравливались окна, через которые в кремний вводились примеси, создававшие транзисторы. Поверхность оставалась плоской и защищенной.

Нойс понял, что на такой плоской поверхности можно не только создавать множество элементов, но и соединить их тонкими металлическими дорожками, напыленными поверх изолирующего оксида, - без единого проводка. В январе 1959 года он записал эту идею. Чех по происхождению Курт Леховец из компании «Спрэг электрик» примерно тогда же предложил способ изолировать элементы на одном кристалле друг от друга с помощью p-n-переходов. В июле 1959 года «Фэйрчайлд» подала заявку на патент Нойса. Кремниевая планарная микросхема оказалась пригодной для массового производства, и именно по этой технологии изготавливаются микросхемы до сих пор.

Патентная война

Компании «Техас инструментс» и «Фэйрчайлд» вступили в многолетнюю патентную тяжбу. Патент Нойса был выдан в 1961 году, раньше патента Килби, полученного в 1964 году. Споры о приоритете тянулись почти десятилетие и дошли до апелляционного суда. В 1966 году, не дожидаясь окончания разбирательства, компании договорились о перекрестном лицензировании, признав права друг друга. В итоге Килби и Нойса стали считать соизобретателями интегральной схемы: Килби - за саму идею и первый работающий образец, Нойса - за технологию, сделавшую микросхемы практичными. Сами изобретатели относились друг к другу с уважением.

Ракеты и Луна

Первые интегральные схемы, поступившие в продажу в 1961 году, были очень дорогими. Их главными покупателями стали военные и космическое ведомство. Военно-воздушные силы США использовали микросхемы в системе наведения межконтинентальной ракеты «Минитмен II». Еще более важным заказчиком стало НАСА. Бортовой компьютер «Аполлона», разработанный в Массачусетском технологическом институте для полета на Луну, был построен на тысячах одинаковых простых микросхем «Фэйрчайлд». В середине 1960-х годов программа «Аполлон» закупала значительную часть всех производившихся в США микросхем. Массовые закупки позволили наладить производство и снизить цены в десятки раз. В 1969 году этот компьютер помог доставить людей на Луну.

Закон Мура

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей «Фэйрчайлд», опубликовал статью, в которой заметил, что число элементов на одном кристалле ежегодно удваивается, и предсказал, что эта тенденция сохранится. Позднее он уточнил прогноз до удвоения примерно каждые два года. Это наблюдение, получившее название «закон Мура», на полвека стало ориентиром для всей электронной промышленности.

В 1968 году Нойс и Мур ушли из «Фэйрчайлд» и основали компанию «Интел». В 1971 году «Интел» выпустила первый микропроцессор - микросхему 4004, содержавшую около 2300 транзисторов и выполнявшую функции центрального процессора компьютера. Его создали инженеры Федерико Фаджин, Тед Хофф, Стэнли Мейзор и японский инженер Масатоси Сима. Килби в «Техас инструментс» тем временем в 1967 году вместе с коллегами создал первый карманный электронный калькулятор. Микросхема сделала возможными персональные компьютеры, мобильные телефоны и интернет.

Из компании «Фэйрчайлд» вышли десятки основателей новых фирм - их прозвали «фэйрчайлдовскими детьми». Долина Санта-Клара в Калифорнии превратилась в центр мировой полупроводниковой промышленности, получивший в 1971 году название Кремниевая долина.

Советская микроэлектроника

В Советском Союзе работы в области микроэлектроники начались вскоре после американских. В 1962 году инженер Рижского завода полупроводниковых приборов Юрий Осокин создал германиевую микросхему, производившуюся затем серийно. В том же году строившийся под Москвой город-спутник, вскоре получивший название Зеленоград, был определен как центр советской микроэлектроники. Советские инженеры добились значительных успехов в создании микросхем для военной и космической техники, однако в 1970-1980-х годах СССР все больше отставал от США и Японии, во многом копируя западные образцы, а электроника для массового потребителя оставалась дефицитом.

Нобелевская премия

Роберт Нойс, прозванный «мэром Кремниевой долины», умер в 1990 году. В 2000 году Джек Килби получил Нобелевскую премию по физике «за вклад в изобретение интегральной схемы». Он разделил ее с российским физиком Жоресом Алферовым и американским физиком немецкого происхождения Гербертом Кремером, удостоенными премии за работы по полупроводниковым гетероструктурам. В нобелевской лекции Килби отдал должное Нойсу, отметив, что тот, будь он жив, несомненно разделил бы с ним премию. Килби умер в 2005 году.

Итоги

• 12 сентября 1958 года Джек Килби из компании «Техас инструментс» продемонстрировал первую интегральную схему - электронное устройство, все элементы которого были созданы на одном кристалле германия.
• В 1959 году Роберт Нойс из «Фэйрчайлд семикондактор» на основе планарного процесса Жана Эрни предложил кремниевую микросхему, пригодную для массового производства.
• Изобретение разрешило «тиранию чисел», ограничивавшую развитие электроники, и положило начало микроэлектронике.
• Военные и космические программы, прежде всего «Аполлон», стали первыми крупными заказчиками микросхем, сделав возможным их массовое производство.
• Интегральная схема стала основой компьютеров, микропроцессоров, мобильной связи и всей цифровой эпохи; Килби получил за ее изобретение Нобелевскую премию в 2000 году.