История вычеслительной техники

Как всё начиналось

1940-50-е

Давным-давно, в 1945 г. — когда вычислительная техника  уже была электронной, но ещё релейно-ламповой (хотя британцы уже во Второй Мировой  Войне использовали германиевые  диоды) — руководство американской компании Bell Labs основало группу под руководством Уильяма Шокли по исследованию полупроводниковой замены вакуумным лампам, что и произошло через 2 года с изобретением транзистора. А в 1948 г. «transistron» был независимо изобретён работающими во Франции двумя немецкими физиками — Хэрбертом Матаре и Хайнрихом Велкером.

Правда, оба прибора были с неудобным  в производстве точечным контактом  к полупроводнику. В 1951 г. Шокли изобрёл биполярный транзистор с двумя p-n-переходами, полностью заменивший точечные уже к середине 50-х. К 1954 г. транзисторы уже стали обязательными компонентами в телефонных станциях и аппаратах фирмы Bell. Мудрейшим шагом компании было решение 1952 г. о продаже (за 25 000 долларов) лицензий на выпуск биполярных транзисторов 26 другим фирмам. Уже через 2 года появились транзисторные радиоприёмники, на время ставшие сутью самого слова «транзистор» в массовом сознании. В 1956 г. за открытие транзисторного эффекта Уильям Шокли и его помощники Джон Бэрдин и Уолтер Брэттэйн получили нобелевскую премию по физике.

После изобретения транзистора Шокли в 1956 г. основал компанию Shockley Semiconductor Laboratory, где изобрёл ещё один полупроводниковый прибор, названный им «диод Шокли». В отличие от транзистора, тут не 3, а 4 слоя полупроводника, что дало возможность блокировать прибор в открытом или закрытом состоянии без поддерживающего напряжения. Шокли был уверен, что это открытие не менее важно, чем транзистор, но на этот раз держал всё в секрете даже от своих сотрудников, что привело его к почти параноидальному поведению. В довесок, нерешительность Шокли при управлении проектами не давала возможность немедленно пустить идею в производство. Это так расстроило его коллег, что 8 наиболее молодых из них потребовали сменить главу компании. Когда стало ясно, что навстречу им не пойдут, «вероломная восьмёрка», как прозвала их жена Шокли, сама покинула компанию и в 1957 г. основала Fairchild Semiconductor для производства полупроводниковых транзисторов.

На тот  момент под полупроводником электронщики понимали прежде всего германий. Транзисторы из него получались хорошие, но p-n-переходы были термически нестабильны (при том, что прибор заметно грелся), а дороговизна затрудняла распространение. Однако в 1952 г. впервые получен кристаллический кремний, а через 2 года Texas Instruments (TI) применила его в транзисторе. В 1955 г. всё в той же Bell Labs изобрели (точнее, впервые использовали для производственных целей) почти все основные технологические операции микроэлектроники: осаждение изолятора, фотолитографию с масками (для деталей аж в 200 микрон!), травление и диффузию. Тогда же сделали и первый полевой транзистор — именно такие (в миллиардных количествах) находятся в современных чипах. И ещё одно малоизвестное, но совершенно революционное открытие: в 1954 г. Чарлз Ли из Bell Labs изготовил транзистор с базой толщиной всего в 1 микрон и обнаружил, что он может работать на частоте до 170 МГц, что вдесятеро быстрее тогдашних аналогов…

В 1952 г. британский электронщик Джэффри Даммер опубликовал идею об интегральной схеме (ИС) как о «твёрдом бруске без соединяющих проводов». В 1956 г. Даммер попытался сделать первую микросхему, но неудачно. Через 2 года недавно принятый в TI молодой инженер Джэк Килби почти в одиночку сидел всё лето в лаборатории миниатюризации, т. к. компания не отпустила его в пока ещё не заработанный отпуск. 24 июля 1958 г. Килби написал в своей записной книжке, что если элементы электрической схемы (резисторы, конденсаторы и транзисторы) сделать из одного материала, то они могут быть помещены на общую пластинку (на сленге — «вафлю», причём в оригинале говорится только так: wafer). А 12 сентября Килби построил первую ИС из пяти элементов, выполняющую роль генератора — хотя она ещё не была однокристальной. Странно, что «нобелевки» за это достижение надо было ждать аж до 2000 г. …

Изобретение Килби имело большой недостаток — компоненты схемы соединялись золотыми проводками, что делало технологию малопригодной к дальнейшему уменьшению, усложнению и массовому производству. Однако к концу этого же 1958 г. Жан Эрни из Fairchild продемонстрировал размещение в кремнии областей с избытком электронов и дырок, вместе составляющих p-n-переход, над которым располагался изолятор из диоксида кремния. В изоляторе протравлено отверстие, которое заполняется алюминием, образующим контакт. А чешский физик Курт Леховец из калифорнийской компании Sprague Electric догадался использовать p-n-переход как изолятор. Наконец, в 1959 г. Роберт Нойс из Fairchild объединил обе идеи с возможностью напылять тонкий слой металла на схему. Этот слой потом выборочно вытравливался, получая одновременно все необходимые межсоединения, что сделало возможным изготовление более сложной схемы за несколько шагов. Так был изобретён планарный технологический процесс.

Правда, пока этот процесс подходил лишь для  изготовления отдельных кристаллов. Но уже тогда стало ясно, что  микросхем понадобится не меньше, чем дискретных элементов, а значит их производство должно быть более массовым. К счастью, в 1958 г. Джэй Лэст и Роберт Нойс построили один из первых фотоповторителей, позволявших на одну пластину проецировать множество копий маски. А в 1961 г. выпущены первые промышленные фотоповторители с уменьшением изображения — теперь маску можно сделать в 5–10 раз больше, что упрощало процесс её подготовки. Маски изготавливались переносом выполненных на прозрачной плёнке чертежей на лист рубилита, на котором координатограф полуручным способом гравировал оттиск. Сами чипы изготавливались из пластин диаметром всего 13⅓ мм, введённых в 1960 г. Право называться первой коммерческой оспаривают микросхемы Fairchild и Texas Instruments. Кстати, Уильям Шокли также достиг массового производства своего диода, но так и не добился успеха — потому что появились микросхемы, где 3–6 транзисторов могли заменить такой диод. (Вставить сюда фразу про злобного буратино — прим.авт.)

Впрочем, все микросхемы пока делались с биполярными  транзисторами, и если бы так оставалось и впредь — не видать бы нам никаких  персоналок и мобильников. Но в 1959 г. Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором, чего не могли добиться с 1926 г., когда был открыт полевой эффект и указан его недостаток — поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Получился всем сегодня известный «бутерброд»: металлический (Al) затвор, подзатворный оксид (SiO₂) и канал-полупроводник (Si). И хотя первые два элемента уже давно делаются из других материалов, мы всё ещё называем это МОП-транзисторами. А в 1960 г. в Bell Labs изобрели ещё один нужный для массового производства процесс — эпитаксиальное осаждение тонкого слоя на кристаллической подложке, снова обнаружив, что малая толщина базы ускоряет биполярный транзистор.

В 1958 г. инженер Сеймур Крэй (уже тогда  прослывший экспертом по компьютерам) устроился в компанию Control Data Corporation (CDC) на должность главного разработчика и сразу попросил фирму General Transistor изготовить быстрый германиевый транзистор для своей машины CDC 1604, ставшей в 1960 г. одним из первых коммерчески успешных диодно-транзисторных компьютеров (после IBM-овских моделей 1401 и 7090). Далее Крэй задался целью построить самый быстрый в мире компьютер (будущий CDC 6600), для чего ему нужен был транзистор со временем переключения менее 3 нс и способностью выдержать перегрев (ибо высокоплотный монтаж в электронике — тоже не сегодняшнее изобретение). P-канальные полевые транзисторы (в большинстве из них канал между истоком и стоком открыт при отрицательномнапряжении на затворе относительно истока) в то время получались медленнее биполярных, а производили их просто потому, что они получались дешевле. Более быстрые n-канальные (канал открыт при положительномнапряжении на затворе) появились только в 1964 г. Крэй заплатил фирме Fairchild аж 500 000 долларов, и в 1961 г. Жан Эрни, используя легирование золотом и эпитаксиальное осаждение, получил кремниевый биполярный транзистор, работающий быстрее германиевых.

1960-е

Товарищи  из социалистического лагеря немедленно потребуют убрать тлетворное влияние  частной собственности на средства производства и привести примеры  ударных капиталистических строек, перевыполнения планов и прочие Закрома  Родины — если таковое наблюдалось. Ну что ж… К 1961 г. авторитет США в мире был низок как никогда. 12 апреля стало ясно, что СССР постоянно выигрывает у США в космической гонке. 15 апреля США начали операцию “Pluto” (более известную как “Высадка в заливе Свиней”) по свержению Фиделя Кастро, ставшую одним из самых больших провалов ЦРУ. Ещё помнился перехват Гэри Пауэрса под Свердловском, когда президент Эйзенхауэр загнал себя и страну в ловушку, пытаясь скрыть разведывательный характер полёта “U-2”.

Нужна была некая национальная идея —  знакомо?… 25 мая только что избранный  Джон Кеннеди во 2-й раз обратился  к нации (что само по себе необычно — обращения являются ежегодными) и заявил: «Я хочу верить, что мы сможем доставить человека на Луну и вернуть  обратно до конца этого десятилетия». В отличие от “построения коммунизма к 1980 г.”, о чём в октябре того же 1961 г. заявил Никита Хрущёв, такая  задача была не менее технической, чем  идеологической. Помимо ракет и кораблей, надо было создать системы управления, которые сначала полетят на Луну в одиночку (в исследовательских  миссиях), а затем будут отвечать за безопасность живых людей. А пока у США был лишь 15-минутный суборбитальный полёт и слабые ракеты. Поэтому  программе выделили астрономические деньги (в сегодняшних ценах — 170 млрд. долларов) и присвоили высший приоритет.

По микроэлектронной части роль главного героя отводилась навигационному компьютеру для Аполлонов (Apollo Guidance Computer, AGC). До того момента первые чипы были относительно медленные и продавались по цене в несколько раз больше аналогичного набора дискретных элементов. И только в авиакосмических применениях миниатюрность и энергоэффективность оказались важнее недостатков, хотя ИС содержали лишь несколько компонентов. Уже в 1961 г. коллега Килби Харви Крэгон сделал демонстрационный “Молекулярный электронный компьютер” для ВВС США, в котором 587 ИС производства TI заменяли 8500 отдельных деталей. В этом же году чипы Fairchild уже применялись в простых компьютерах.

AGC оказался  намного сложнее, требуя около  4000 логических вентилей по 20–30 долларов  каждый. До 1965 г. AGC оставался самым  большим потребителем чипов как  по количеству (200 000), так и по  общей цене. Боб Кук из TI изготовил  первые экономные ИС для блока  астронавигации. Одновременно (в 1962 г.) TI выиграла контракт на изготовление 22 видов заказных микросхем для системы наведения ракет Minuteman II. К этой же задаче присоединились и другие компании, так что в 1965 г. ракетчики стали главными заказчиками ИС в США. Кстати, ещё в 1961 г. британская Ferranti Semiconductor стала производить одно из первых в Европе семейств цифровой логики для миниатюризации бортовых систем в британских ВМС. В этом же году Стивен Хофстайн из RCA сделал самую сложную на тот момент 16-транзисторную ИС — но лишь для лабораторных исследований.

В 1963 г. вышли первые ТТЛ-чипы (транзисторно-транзисторная  логика, самая популярная до конца 70-х), но главное — Фрэнк Уанласс из Fairchild показал, что симметричное спаривание p- и n-канальных МОП-транзисторов уменьшает потребление энергии при простое (когда транзисторы не переключаются) в миллион раз, назвав этот вид логики «комплементарная (структура) МОП» (КМОП). Впервые изготовленная через 2 года, она сразу стала использоваться в авиации и космосе, но быстро добралась и до коммерческих устройств. Из-за использования медленных p-МОП-транзисторов на рекорды скорости поначалу такая логика не претендовала.