Решения, изменившие мир. Микросхема
Автор
Сергей Грицачук
Эту серию статей мы посвятим тому, что кардинально изменило наш мир. А начнем с того, с чего пошла вся микроэлектроника и компьютеры.
Современный мир уже невозможно представить без высоких технологий. Они окружают нас повсюду, превращаясь в неотъемлемый элемент повседневной жизни. Мы воспринимаем их как данность, помня лишь одно: достаточно нажать кнопку или сделать легкий жест... и любимый девайс будет активирован. И очень редко задумываемся о том, что за «этими электронными штучками», как правило, стоит напряженная работа, мучительные поиски и раздумья, ошибки и неожиданные победы человека, чей большой талант, нестандартное видение ситуации и результаты труда стали поворотным этапом в развитии общества.
Микросхема вчера и сегодня
Возьмем к примеру обыкновенную микросхему. Чип, кристалл, «микруха», «камень», «мозги» – как только не окрестили пользователи этот элемент, на котором базируется вся современная схемотехника.
Современная микросхемотехника может использовать и "устаревшие" интегральные микросхемы (внизу), но чаще строится на чипах, каждый из которых содержит внутри десятки, сотни и тысячи подобных плат. Дискретные элементы (конденсаторы, резисторы и т.д.) частично реализованы внутри чипа, остальное - установлено на печатной плате вокруг (вверху). Кстати, они тоже подверглись микроминиатюризации.
Даже не имеющим технического образования людям известны такие слова, как «прошивка», «процессор», «тактовая частота», «ядро» и им подобные – все они связаны с микросхемами. Любая из них (пусть даже та, что стоит в вашей стиральной машине) сама по себе маленький компьютер, по мощности сопоставимый с первыми персональными ЭВМ (и даже превосходящий их). Кстати, относительно недавно, лет 25 назад, экранное разрешение ПК составляло 320×200 точек, а видеокарта, обеспечивавшая до 16 цветов при таком разрешении, содержала от 15 до 50 микросхем. Сейчас подобным дисплеем может "похвастаться и недорогой принтер", с одной-двумя микросхемами на борту. Прежде их называли «элементы логики», а сегодня в однокристальном чипе могут быть десятки тысяч элементов. Словом, не было бы микросхем – не было бы компьютеров, смартфонов, планшетов и прочих современных гаджетов. И бытовая техника была бы намного примитивнее.
На фото - первый графический цветной адаптер CGA (вверху) содержал около 70 интегральных микросхем (элементы логики, память, видеопроцессор). Современная видеокарта (внизу) обладает параметрами, превосходящими родоначальницу в тысячи раз, но при этом уместилась в 15-25 микросхем, из которых 12 - память.
Как появилась микросхема
Завязка истории в фильме напоминает американские комиксы: непонятый окружающими ученый совершает революционное открытие, которые все воспринимают исключительно как курьез, попадает в лапы военным и... Но в жизни дальнейшие события развивались уже по иному сценарию.
Все началось с одной записи, сделанной Килби, тогда молодым сотрудником фирмы Texas Instruments, в своем дневнике 24 июля 1958 года. В ней он сформулировал «идею монолита» (The Monolithic Idea). Утверждалось, что такие элементы, как резисторы, конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну схему при условии, если они выполнены из одного материала. Идея не встретила поддержки – в то время в радиоэлектронике царила ее величество радиолампа, а первые транзисторы с огромным трудом пробивали себе дорогу в качестве базы для слуховых аппаратов. Ну а к германиевой и кремниевой микроэлектронике всерьез не относился никто. Да что там 1950-е! Даже сейчас, когда звуковой усилитель размером с булавочную головку и мощностью 40 Вт способен выдать приличное звучание, многие аудиофилы вовсю рассуждают о «теплом ламповом звуке», а ламповая аудиоаппаратура стоит баснословных денег и продается исключительно в сегменте хай-энд.
Тем не менее Джек Килби отважился на такую попытку, завершив разработку на свой страх и риск. Дело в том, что его, молодого специалиста, бросили на совершенствование технологии микромодулей для ракет – в 1950-е данные блоки собирали из дискретных элементов, в том числе из непопулярных транзисторов. Почему именно Килби? Во-первых, у него имелся опыт их применения (в тех самых слуховых аппаратах), а во-вторых, Килби уже тогда не верил в будущее дискретных схем. Работая над ракетными микромодулями, он быстро понял, что это тупиковая ветвь, и пришел к мысли об интеграции нескольких элементов на одной пластине (та самая идея монолита). Конечно, он сообщил об этом руководству и… его проигнорировали. Молодому человеку посоветовали не заниматься ерундой, а направить силы на результативный труд. Однако или он был достаточно настойчив, или начальство слишком лояльным, но в сформулированном решении («для того, чтобы поверить в это, надо увидеть рабочий образец, так что идите и работайте, Килби!») явно угадывается: «и не морочьте нам голову своими бреднями!». За давностью лет подробности утрачены, хотя известен факт: Килби занялся воплощением в жизнь своей идеи в период отпуска (на который как стажер права не имел), и, по его же словам, трудился в поте лица. Причем пользовался только теми ресурсами и оборудованием, что были ему доступны.
Получившийся образец ИС, исправно выводивший синусоиду на экран осциллографа, руководство Texas Instruments осмотрело и выдало карт-бланш на дальнейшие работы в этом направлении.
Впрочем, они были недолгими: Килби быстро уперся в ряд проблем, которые удалось решить только с помощью идей Нойса из конкурирующей Fairchild Semiconductor.
Исследования Килби не только убедительно доказали возможность создания интегральных схем и отказа от дискретных решений, но и дали первый толчок к их разработке.
А что же Роберт Нойс? Оказалось, он тоже изобрел микросхему (независимо от Килби), правда, исключительно в виде идеи и с опозданием на пару месяцев.
Исследования Килби не только убедительно доказали возможность создания интегральных схем и отказа от дискретных решений, но и дали первый толчок к их разработке.
А что же Роберт Нойс? Оказалось, он тоже изобрел микросхему (независимо от Килби), правда, исключительно в виде идеи и с опозданием на пару месяцев.
Почему же Нойса ставят рядом с Килби? Да потому что именно его микросхема, по сути, оказавшаяся прототипом современных процессоров, пошла в серию. В то время как плодами творчества Килби («волосатая технология») не смогли воспользоваться даже в стенах родной Texas Instruments, также полностью перейдя на кремний и планарную технологию, запатентованную Нойсом.
История закончилась хеппи-эндом: за свое изобретение (а точнее за первый действующий образец) Килби получил Нобелевскую премию в 2000 году, а Нойс... стал основателем Intel. Впрочем, вряд ли его обошли стороной – ведь Нобелевская премия не вручается посмертно, а Нойс скончался в 1990 году, за 10 лет до присвоения почетной награды. Примечательно, что совместно с Нойсом в той же Fairchild Semiconductor трудились еще два человека – Роберт Мур (второй основатель Intel) и Джерри Сандерс (впоследствии он создал AMD). Они также оказали огромное влияние на индустрию высоких технологий, но об этом я расскажу в следующий раз.
Выводы
Именно изобретение микросхемы подарило человечеству компьютеры. Как ни крути, а радиолампы были хороши только для аналоговых решений: слишком уж громоздкие, ненадежные и «прожорливые». Кто знает, что бы произошло, если бы молодого специалиста заклевали критики? А их было предостаточно, причем у каждого имелись свои возражения: от незначительных («нулевая ремонтопригодность») до весомых («низкий процент выхода работоспособных изделий»). Скорее всего, микросхемы появились бы все равно, возможно позже. Ибо другого пути развития компьютеров не появилось до сих пор: инженеры по-прежнему совершенствуют все ту же первую микросхему, доводя ее до идеала.
Врезка. Как создавалась первая микросхема
Вот как Килби описывает процесс создания первого чипа: «Техники Пат Харбрехт (Pat Harbrecht) и Том Йиган (Том Yeargan) разрезали пластины на бруски размером приблизительно 0,12?0,4. Соединение с объемными резисторами обеспечивалось металлическими контактами, припаянными к задней стороне брусков. Парафин наносился вручную, чтобы закрыть мезаструктуры: одну для транзистора и другую, бoльшую, – для области с диффузионным распределением примесей, образующей распределенную резистивно-емкостную цепочку. 12 сентября 1958 года завершилось изготовление первых трех генераторов этого типа. Когда было приложено напряжение, в первом из контуров возникла генерация на частоте 1,3 МГц. Я быстро набросал конструкцию триггерной схемы, все элементы которой должны были выполняться из кремния. Резисторы использовали объемное сопротивление кремния, а конденсаторами служили емкости р-n-переходов. Аналогичным способом был изготовлен триггер. Его испытания прошли 19 сентября».
Опубликовано 31.07.2013