История вычеслительной техники

Когда массовое производство ИС стало исчисляться  уже миллионами, оказалось, что с  применением пластин большего диаметра себестоимость чипов падает, а  массовость растёт — и в 1964 г. введены 25 мм пластины, а через 2 года — на 38 мм. Однако уменьшать интегральные МОП-транзисторы оказалось труднее, чем биполярные, из-за производственных сложностей и падения надёжности. Причём эксперты чуть ли не соревновались  по добавлению очередного аргумента  в ряд «почему оно не будет  работать» — так что это  даже вылилось в пародию на известную  индийскую притчу о слепцах, ощупывающих  слона по частям, чтобы изучить  его. В течение 1963–66 гг. специалисты  из американских, европейских и японских компаний (в сотрудничестве и конкуренции) исследовали и решили бо́льшую часть вопросов надёжности МОП-схем.

В 1964 г. General Microelectronics выпустила первый коммерческий p-МОП-чип — 120-тразисторный 20-битный регистр сдвига. Через год сделаны ещё 23 заказных вида микросхем для первого настольного калькулятора на МОП-ИС (Victor Comptometer EC-3900), включая 600-тразисторный 100-битный регистр. К 1969 г. фирме Rockwell удалось сократить число калькуляторных чипов до 4, что позволило сделать портативные машины. В 1971 г. Mostek и TI представили однокристальные калькуляторные ИС (не считая внешнего контроллера экрана). До этого, в 1968 г. RCA показала чип статической памяти (СОЗУ) на 288 бит (почти 2000 транзисторов) и первое семейство простой КМОП-логики общего назначения. Таким образом, помимо военных заказов, во второй половине 60-х одним из локомотивов микроэлектроники стали простые настольные ЭВМ. Их было гораздо больше мэйнфреймов, хотя в последних ИС применялись тысячами.

Но главное  — в течение 60-х гг. улучшения  литографии позволяли увеличивать  число транзисторов экспоненциальными  темпами. Это заметил химик Гордон Мур, работавший тогда директором по НИОКР в Fairchild. В 1965 г. он написал внутренний доклад «Будущее интегральной электроники» с графиком, соединяющим 5 точек и связывающим число компонентов ИС и их минимальную цену для периода 1959–1964, и предсказанием развития на следующие 10 лет. Последнее основывалось на том, что число компонентов на чипе будет продолжать удваиваться каждый год. Чуть позже отредактированная версия появилась в виде статьи в журнале Electronics 19 апреля 1965 г.

Интересно, что в 1975 г. на ежегодной встрече  Международной Организации Инженеров-Электронщиков (IEEE) Мур (уже как президент и исполнительный директор Intel) указал, что увеличение диаметра пластин, успехи в технологических процессах и “поумнение схем и устройств” позволило продолжиться прогнозу. Впрочем, Мур скорректировал свою закономерность до удвоения каждые 2 года, добавив в последние данные бо́льшую долю микропроцессоров как наиболее сложных логических (т. е. нерегулярных) схем. Предсказание оказалось самоподдерживающимся: теперь Гордон Мур уже не наносит на свой график очередные достижения, зато многочисленные фирмы (и, конечно, сама Intel) до сих пор стараются идти в ногу с прогрессией. Кстати, титул закона ей дал известный информатик Карвер Мид в 1980 г. Ещё раз публично проверяя своё предсказание в 1995 г., Мур сделал вывод, что оно “не скоро остановится”.

Поясним, почему делается разделение между регулярными  и нерегулярными дизайнами (чаще всего под ними понимают память и  процессоры, соответственно). Регулярный чип имеет в 5–10 раз бо́льшую плотность размещения транзисторов, чем в логических схемах, где относительно мало повторяющихся элементов. Однако прогресс последних более сложен и приносит больше пользы. Проще говоря, если вам мало памяти, то можно её набрать большим числом микросхем имеющегося объёма. А вот с недостатком производительности ЦП так просто не сделаешь.

В 1963 г. Роберт Нормэн из Fairchild запатентовал то, что позже получило название статического ОЗУ (СОЗУ). Через 2 года кооперация фирм Scientific Data Systems и Signetics изготовила первый 8-битный биполярный чип памяти. В 1966 г. команда Тома Лонго из Transitron сделала свою версию 16-битного ОЗУ для миниЭВМ Honeywell Model 4200, что стало первым применением интегральной полупроводниковой памяти в коммерческих компьютерах. 64-битные чипы появились в 1968 г. в IBM (для первого в мире кэша), Fairchild, Intel и TI. В 1969 г. IBM представила 128-битную схему уже для основного ОЗУ выпущенного через 2 года компьютера System/370 модели 145. В 1970 г. 256-битный чип Fairchild использован в машине Burroughs Illiac IV. Ну а суперкомпьютер Cray 1 в 1976 г. имел 65 536 килобитных ИС от Fairchild. Из этой прогрессии ясно, почему Муру поначалу казалось, что удвоение транзисторов будет ежегодным — для памяти это оказалось проще.

В 1968 г. сделан настолько важный прорыв, что  за следующие 35 лет ничего подобного с транзистором не случалось: Роберт Кервин, Доналд Кляйн и Джон Сэрэс из Bell Labs сменили материал затвора с алюминия на поликремний (поликристаллическая форма кремния, сильно легированная проводящими примесями). Не смотря на то, что его сопротивление больше, чем у металла (и потому контакт к затвору по-прежнему металлический), осаждение и выборочное вытравливание кремния для затвора позволило использовать его в качестве маски для формирования истока и стока, идеально подогнанных к его краям, поэтому поликремневый затвор называется самосовмещённым (self-aligned). Это резко снижает разброс характеристик, вызванный неидеальным наложением масок при литографическом формировании истока и стока. Меньший разброс улучшает надёжность работы, а расположенные тесней части транзистора увеличивают скорость и плотность размещения самих транзисторов.

Некоторые микроэлектронные фабрики («фабы») до сих пор готовят чипы с почти тем же вариантом МОП-транзистора, что был изобретён в конце 60-х. В том же 1968 г. Федерико Фэггин и Том Кляйн из Fairchild переделали имеющуюся микросхему (8-канальный аналоговый мультиплексор) под новые транзисторы. Как часто бывает, не обошлось без обиженных: в 1965 г. Бойд Ваткинс представил почти такую же структуру наконференции General Microelectronics, но регистрация его патента почему-то задержалась до 1969 г.…

Конец 60-х родил ещё две «революции», одна из которых вам наверняка  нравится, а вторая — наверняка  нет… :) Восьмёрка «молодых и дерзких» в 1968 г. ушла из Fairchild, и каждый основал свою компанию. В частности, Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel, а через год ещё 5 «fairchildren» («прекрасных детей», ещё одна кличка) основали AMD. Вообще, за 20 лет перебежчики из Fairchild зачали аж 65 разных компаний, но далеко не все оказались известными. После основания Intel сразу занялась производством — угадайте чего? Памяти — оказалось, что поликремниевый затвор ускоряет доступ в 3–5 раз и уполовинивает площадь по сравнению с обычным МОП-чипом той же ёмкости. Так что первой микросхемой Intel была i1101 — 256-битное ОЗУ (1969 г.).

1970-е

Это десятилетие  ознаменовалось прежде всего взлётом микропроцессоров. Конечно, активно продвигалась и память — в частности, динамическое ОЗУ (ДОЗУ, DRAM) стало не только ёмче и надёжней, но и дешевле памяти на магнитных кольцах. Но именно в дизайне логических микросхем произошёл прорыв: за 10 лет процессоры из 4-битных стали 32-битными, и для многих применений этого хватает до сих пор. Рассматривать все «первые» мы не будем (уж больно тёмное дело), но о претендентах на самый-самый упомянем:

Пока  десяток фирм упражнялись в попытках уместить на микросхеме всё большее, IBM ещё с 1970 г. пыталась решить не менее  важную проблему — уменьшение удельной цены чипов памяти (на каждый бит), чтобы  они вытеснили магнитную память. Первая микросхема динамического ОЗУ  Intel i1102 в 1970 г. стоила 21 доллар (позже подешевев вдвое), а ёмкость имела всего 1 килобит. Группа Дэйла Критчлоу в IBM пыталась достичь цены в 1 миллицент/бит. Для этого другой группе под руководством Боба Деннара (изобретателя самой компактной и до сих пор применяемой во всех чипах ДОЗУ 1-транзисторной ячейки) поручили сделать исследование, из которого оказалось, что самый верный способ — уменьшить площадь ячейки уменьшением не числа транзисторов, как было до сих пор (ДОЗУ начинались с 3 транзисторов/бит), а самих транзисторов. Ведь ещё в 1962 г. Томас Стэнли из RCA опубликовал аналитический доклад о том, что уменьшение особенно благотворно для МОП-структур, т. к. затвор, длина которого ограничивает скорость, лежит вдоль прибора, а не поперёк.

На тот  момент самый передовой техпроцесс имел технорму 5 мк. Критчлоу и Деннар пропорционально уменьшили все части транзисторов в 5 раз, обнаружив почти линейную зависимость основных параметров — скорости и потребления (помимо очевидного уменьшения площади). Результаты этих опытов были представлены на IEDM (International Electron Devices Meeting — международная встреча [разработчиков] электронных устройств, крупнейшая ежегодная конференция электронщиков) в 1972 г.; в этом же году похожую работу опубликовали Карвэр Мид и Брюс Хёнейсен из Калифорнийского Института Технологий.

В течение  ещё двух лет были проведены дополнительные исследования, и в 1974 г. родилась ставшая  классикой работа “Устройство ионно-имплантированных МОП-транзисторов очень малых физических размеров”. Хотя тогда это ещё  не все поняли, но предложенная теория масштабирования (по сути — научное  подтверждение до тех пор эмпирической закономерности Мура) поставила окончательный крест на биполярных транзисторах, всё ещё применявшихся в самых быстрых логических чипах типа ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) — так что в 80-е уже и суперкомпьютеры перешли на МОП-ИС. А всё потому, что биполярные транзисторы не масштабируют свои параметры также хорошо как полевые с уменьшением своих размеров.

Но чтобы  всемирная борьба за микроны (а позже  — и нанометры) началась, не хватало  ещё одного: надо соответственно улучшить и параметры производящего оборудования. Ведь до тех пор все микросхемы делались контактным способом, когда  маска буквально впечатывались  в пластину и только после этого  облучалась. Это порождало большое  число осколков и пыли, выбиваемых с поверхности и загрязнявших пластину. Но в 1973 г. фирма Perkin Elmer представила проекционный принтер — первый пример массовой фотолитографии. Применяя его с положительным фоторезистом (фоточувствительным материалом, растворяющимся после освещения), удалось добиться революционного прорыва в выходе годных (доля рабочих чипов среди изготовленных — важная характеристика реализации техпроцесса на конкретном фабе): плотность дефектов на единицу площади резко уменьшилась, т. к. физического контакта маски с пластиной больше нет. Сама маска теперь — кварцевая пластина с хромовым слоем, содержащим нужный рисунок.

Дополнительно к этому фабрики не забывали ещё  одну гонку — по уменьшению себестоимости  пластины, что достигалось увеличением  их массовости и диаметра. Последний  вторую половину 60-х был на уровне 38 мм, но в 1970 г. внедрены пластины на 57 мм, в 1973 — на 76, в 1975 — на 100, а в 1979 — на 125 мм. Т. е. за 10 лет площадь пластин увеличилась в 5–7 раз, что сказалось и на числе производимых микросхем (как всё это время росла средняя площадь самих чипов, покажем чуть позже). Таким образом, у мировой микроэлектронной промышленности появилась возможность следовать закону Мура не в ущерб себе, а как раз наоборот — с коммерческой выгодой.

Из других достижений 70-х:

• появление программируемых пользователем ПЗУ: сначала однократных (1970 г.), потом стираемых ультрафиолетом (1971, придумал Дов Фроман из Intel);
• первые цифровые сигнальные процессоры: сначала — как сопроцессоры для ЦП (1978, хотя идея предложена в 1972), а затем и самостоятельные, с собственным ПЗУ и ОЗУ (1979);
• первые микроконтроллеры (TI TMS1000 в 1974 г. и Intel i8048 в 1975 г.), т. е. 1-кристальные компьютеры, которые в ещё более интегрированной форме ныне зовутся системами-на-чипе (SoC);
• первый фотолитографический степпер (1978) — этот аппарат экспонирует пластину по частям, что позволило далее расти её диаметру и увеличивать детализацию масок без побочных краевых эффектов.

1980-е

Наверное, одно из самых больших событий  в мировой микроэлектронике произошло  в 1980 г., когда IBM, рассматривая ЦП Motorola и Intel, выбрала i8088 для выходящего через год IBM PC. Возможно, конкурент — 32-битный MC68000 — был слишком дорог (имея около 70 000 транзисторов против 29 300) или не был приспособлен для относительно дешёвых систем (имея 16-битную шину данных). Intel же к тому времени переделала 16-битный i8086 для 8-битных чипсетов в виде i8088. В 1982 г. Motorola также выпустила урезанную версию с 8-битной шиной (MC68008), но было уже поздно. Неясно, как бы развивалась микроэлекторника, если бы IBM не стала экономить и выбрала куда более прогрессивную архитектуру MC68000. Тем более, что Apple в 1984 г. выбрала её же для своих первых Макинтошей. Возможно, Intel по прежнему бы выпускала микросхемы памяти и простые 8-битные контроллеры. Особенно после провала своего первого (и заранее широко разрекламированного) 32-битного ЦП iAPX432, который должен был заменить архитектуру x86.

Однако  ажиотажный успех первых PC (неожиданный  даже для само́й IBM, где к проекту относились с сомнением и считали его экспериментальным) поставил всё на свои места: в Intel поняли, что миру будет нужно много «персональных процессоров», причём с регулярной сменой поколений. Непрофильные микросхемы постепенно отходили в сторону, уступая место процессорам x86. Интересно, что ещё до успеха PC Intel успела продать несколько лицензий на производство аналогов i8086 другим компаниям; AMD свою получила уже в 1982 г., по распространённому заблуждению — из-за политики IBM иметь нескольких поставщиков каждого важного компонента, чему Intel якобы вынужденно подчинилась. Так или иначе, потребовалось быстро обойти собственноручно созданных конкурентов, для чего выбрали улучшение не только микроархитектур ЦП, но и технологических процессов для их выпуска. Для Intel это не менее важно до сих пор, хотя большинство компаний (включая главного конкурента) давно перешли на модель «fabless + foundry», т. е. бесфабричного разработчика и контрактного завода-производителя.