Микрочип: схема, която промени света

Американските създатели на транзистора Уилям Шокли, Джон Бардин и Уолтър Братайн спечелиха световна слава и през 1956 г. бяха удостоени с Нобелова награда. Немските физици Хърбърт Матара и Хайнрих Велкер, които, работещи във Франция, само половин година по-късно произвеждат точков транзистор самостоятелно, трябваше да се задоволят с френския патент и много краткосрочна слава, която не надхвърля Европа. Интегралната схема също имаше независими автори. Както често се случва, техните имена са известни на широката общественост много по-добре от конкретните обстоятелства на изобретението на микрочипа.

Тирания на числата

Появата на твърдо състояние електроника постави основата на наистина многоелементни системи. И така, създаден в края на 50-те години от екипа на Сиймор Грей, първият чисто полупроводников компютър, 48-битов CDC 1604, се състои от 25 000 транзистора, 100 000 диода и стотици хиляди резистори и кондензатори.

И тогава имаше неприятен проблем. Компонентите на електронните схеми бяха свързани чрез проводници по един-единствен начин - чрез запояване. Това беше трудоемка и скъпа ръчна работа, изпълнена с много грешки (защото не беше направена от роботи, а от хора). В началото на ерата на транзистора по принцип беше възможно да се проектира система с почти всяка степен на сложност, но нейното производство често беше твърде трудно. Освен това технологиите за сглобяване възпрепятстваха промоцията на сложни системи на пазара на потребителска електроника, което изискваше големи обеми на производство, компактност и разумни цени. Тези технологии работеха още по-зле за големите компютри, тъй като свързването на вериги с дължина от километри намаляваше скоростта им.

Като цяло, още в средата на 50-те години на миналия век, по пътя към реализирането на надеждите, полагани върху транзисторите, съществува сериозна пречка, която се наричаше проблем на взаимосвързаностите или, неофициално, тиранията на голям брой. Те се опитаха да го преодолеят, като намалиха размера на елементите на електронната схема и използваха модулен монтаж, но без особен успех. Изискваше се принципно нова идея. И не й отне много време да чака.

Как скобите изправят зъбите: видеоклип с бързи стъпки

Горещо място

Джак Сейнт Клер Килби е роден на 8 ноември 1923 г. в град Джеферсън Сити в Мисури. Баща му е инженер-електроинженер, който се издига на поста президент на Kansas Electric Company. Синът следва по стъпките на родителя си: през 1947 г. завършва университета в Илинойс с бакалавърска степен по електротехника и си намира работа в Centralab в Милуоки, а три години по-късно получава магистърска степен от университета в Уисконсин.

Малката компания, където Килби работеше предимно, произвеждаше сравнително прости радио компоненти. През 1952 г. тя придобива лиценз за производство на транзистори от Bell Laboratories и младият инженер направи много за отстраняване на грешки в новата технология. Той получи около дузина патенти, придоби отлична професионална репутация, но работата му се отегчава. Килби не само разбра, че бъдещето на твърдото електроника зависи от победата над тиранията на голям брой, но и считаше себе си способен да го спечели. За целта беше необходима изследователска позиция в компания със сериозни финансови ресурси и интерес към новите разработки. В началото на 1958 г. той изпраща резюме на няколко обещаващи адреса и получава оферти от такива гиганти от електронната индустрия като IBM и Motorola. Въпреки това Килби предпочете по-малко известната корпорация Texas Instruments, където няколко години по-рано физикът Гордън Тийл и физикът Уилис Едкок създадоха първата ефективна технология за производство на силициеви транзистори (преди това те бяха направени само на базата на германий). В онези дни компанията беше ръководена от много напред мислещия президент Патрик Хагерти, който възложи на Едкок да ръководи работата по радикалното премахване на проблема с взаимните връзки.

През май Килби премести семейството в Далас и се зае да работи в новопостроена сграда, където климатиците дори не работеха. Ужасната тексаска жега не му попречи бързо да намери решение на задачата. Килби предположи, че всички основни компоненти на електронна верига могат да бъдат направени от полупроводници, ако легиращите добавки са избрани правилно. И ако е така, тогава по принцип нищо не ви пречи да поставите тези компоненти върху обща матрица. На 24 юли 1958 г. той пише тази страхотна идея в лабораторно списание с една-единствена фраза, която влезе в историята на електрониката.

Но засега това беше само теория. Когато Килби показа своите скици на Едкок, той не прояви голям ентусиазъм, но въпреки това инструктира Килби да създаде отново обикновена радио верига и обеща да разреши допълнителни експерименти, ако се окаже успешен. Килби прие предизвикателството и ръчно вгради в германиевата плоча детайлите на стандартна електронна схема, която преобразува постоянен ток в променлив ток (беше хармоничен осцилатор с обратна връзка с фаза). Изглеждаше тромаво, което не е чудно: за свързване на блоковете бяха използвани шарнирни метални проводници. 12 септември Килби показа своето дете на големите шефове на корпорацията. Към инструмента беше приложен ток на батерията и на екрана на осцилоскопа се появи зеленикава синусова вълна. Първата интегрирана схема в света демонстрира своята ефективност.

„Осем предатели“

Третият син на пастор от Конгрегация, чийто прародител отплава в Америка на легендарния Мейфлауър, Робърт Нортън Нойс е роден на 12 декември 1927 г. в малък, дори сега, и тогава мъничък Бърлингтън, щата Айова. Детските хобита с моделиране на самолети и радиотехника го доведоха до завършване на училище в Масачузетския технологичен институт, където на 26 г. защити докторска дисертация по физика. Докато беше още в колежа, той се заинтересува от транзисторите и следователно се успокои, той дойде в компанията Philco Philadelphia, която се занимаваше с тях много сериозно.

Подобно на Килби, Нойс бързо си направи име в твърдо състояние електроника. В началото на 1956 г. той е поканен в своята компания от Уилям Шокли, който напуска Bell Laboratories, за да изучава полупроводникови устройства, а Нойс се премества в Калифорния, в градчето Mountain View, разположено на юг от Сан Франциско в долината на Санта Клара, което 15 години по-късно става обадете се в Силиконовата долина. Той обаче не остана там. Шокли се оказа лош мениджър и буквално уплаши най-добрите служители. В резултат на това през 1957 г. Нойс и седем други млади таланти заминават за безплатен хляб и с финансовата подкрепа на индустриалиста и изобретателя Шерман Феърчалд основават корпорация Fairchild Semiconductor Corporation. „Осемте предатели“, както ги нарече Шокли, включваха физика-химик Гордън Мур (да, този, който по-късно излезе със „закона на Мур“) и физикът Жан Ерни, който е роден в Швейцария. Именно с него започна веригата от технологични иновации, което доведе Neuss към изобретяването на интегрална схема.

Над боя

Младата компания произвежда транзистори по най-новия тогава метод на дифузия на допанти. С всичките си предимства делът на продуктите, отхвърлени поради замърсяване, достигна 90%. Ерни предложи да се предпазват силициевите матрици от повреда с тънък филм от силициев диоксид. В процеса на производство на транзистора филмът се отстранява в дифузионни зони и след това се възстановява за поддържане на изолация. Адвокатът на компанията Джон Ralls видя обещанието на тази идея и поиска заявка за патент с очакването на възможността за по-широки приложения. Ralls не е сбъркал - методът на Ernie лежи в основата на цяло семейство от полупроводникови технологии, известни като плоски процеси.

Тези приложения и започнаха да мислят за Neuss, който ръководи изследователския отдел на компанията. Тогава той осъзна, че върху оксидния филм могат да бъдат приложени тънки ленти от мед или друг метал, които да свързват транзистори, кондензатори и други елементи на електронната верига. И оттук не беше далеч от мисълта, че самите тези елементи могат да бъдат интегрирани в силиконова матрица, използвайки селективен допинг. Подобна идея шест месеца по-рано се зароди на Килби, но Нойс стигна до нея по друг начин. И двете пътеки се кръстосаха при раждането на микрочипа.

Нойс редовно обсъждаше прозренията си с Мур, който ги приема без много възражения. На 23 януари 1959 г. той описва изобретението си на четири страници на лабораторно списание. Така се роди калифорнийската версия на интегралната схема - за разлика от тексаската версия досега, само на хартия.

Междувременно в Далас

Още през септември 1958 г. Килби и неговите помощници произвеждат нов метод за друго електронно устройство, полупроводников спусък. Въпреки това, ръководителите на Texas Instruments не промотираха новото изобретение или не планираха да го използват. Освен това компанията не бързаше с заявката за патент.

На 28 януари 1959 г. обаче те започнаха да се раздвижват в Далас: носеха се слухове, че конкурентната фирма RCA е разработила свой собствен микрочип и е на път да го патентова. Информацията се оказа невярна, но предизвика безпокойство. Корпорацията се обърна към адвокатската кантора на Вашингтон Стивънс Дейвис Милър и Мошер, специализирана в патентните въпроси, и я инструктира да регистрира правата върху изобретението на Килби възможно най-бързо. С оглед на особеното значение на случая, самият Елсуърт Мошер, авторитетен патентен адвокат, се зае с въпроса. За да подготви документацията, той се нуждае от схема на свързване на микрочип. Кълби към този момент вече беше разбрал, че е необходимо да се отървем от външното окабеляване, и започна да разработва аналог на планарния процес (вече изобретен от Жан Ерни). Въпреки това, като илюстрация на заявката за патент, Kilby представи диаграма на един от първите чипове със златни шарнирни жици. Вярно, той отбеляза, че проводящите вериги могат да бъдат директно приложени към изолационното покритие, но той се спря там. На 6 февруари Патентното ведомство регистрира заявлението на Kilby.

Патентни войни

Този на пръв поглед маловажен детайл беше предназначен да играе основна роля в патентната битка между Далас и Силиконовата долина. В началото на 1959 г. Fairchild Semiconductor Corporation пуска първия си оригинален продукт, транзистор с двойна дифузия. Нойс остави интегралната схема в резерв - тогава му се стори, че няма причина за бързане. Въпреки това, в началото на март той и неговите колеги научиха, че Texas Instruments скоро ще обявят развитието на интегрирани твърди вериги. И така се случи - изобретението на Килби бе демонстрирано на 24 март в Ню Йорк по време на конгреса на Института за радиоинженери. По това време инженерите на Texas Instruments са произвели редица интегрални схеми без шарнирни проводници, които бяха представени на нейния щанд. Въпреки че не може да се желае по-подготвена публика, новостта, колкото и да е странно, не интересува особено никого. Дори професионалното списание Electronics го спомена само две седмици по-късно, освен това в един параграф.

В Калифорния обаче веднага усетиха, че Fairchild Semiconductor е в реална опасност да загуби приоритет. Нойс добре осъзнаваше, че приложението му трябва да се различава значително от приложението на конкурентите. Затова той и Ralls подчертаха, че изобретяването на Neuss прави използването на външно окабеляване ненужно. Те не знаеха съдържанието на заявлението на Килби (Патентното ведомство на САЩ не разкри информация на етапа на разглеждане на документи), но Нойс имаше основания да смята, че в тази част неговата компания изпреварва конкурентите в Тексас.

Това беше последвано от съдебна битка, която се простираше десет години. Юристите от двете страни показаха изискана хитрост и в крайна сметка победата остана при Нойс. На 6 ноември 1969 г. Апелативният съд за патенти и митнически мита го призна за единствения изобретател на микрочипа. Мошер обжалва Върховния съд на САЩ, но молбата му е отхвърлена.

Най-интересното е, че решението на съда на практика не промени нищо. И професионалисти, и политици, и обществеността вече знаеха отлично, че това велико изобретение има двама пълни автори. И двамата получават за него Националния медал за наука (Килби през 1969 г., Нойс през 1979 г.) и Националния медал за технологии (съответно през 1990 г. и 1987 г.). Освен това финансовите интереси на двете фирми изобщо не са били засегнати. Още през 1966 г. Texas Instruments и Fairchild Semiconductor признават равните права на интегралната схема (други фирми, които желаят да произвеждат микрочипове, трябва да купуват лицензи от тях). Така че всъщност много години съдебни спорове не бяха нужни на никого.

От ракети до калкулатор

Интегралните схеми са пуснати в серийно производство в началото на 1961 г., когато се появява технологичната база за това. Fairchild беше първият, който ги продаде (в шест версии) под името микрологични елементи. Няколко седмици по-късно на пазара се появиха микрочипове от Texas Instruments - в терминологията на корпорацията, твърдотелни вериги. Те бяха много скъпи (в началото над 100 долара) и затова не бяха подходящи за потребителска електроника. Първите три години те бяха закупени само от федерални агенции, главно от Пентагона и НАСА. Микрочипите станаха основата на електрониката на междуконтиненталните ракети MinutemanII, изстреляни от подводници на балистичните ракети Polaris A2 и A3, авиониката на новите бойни самолети, обаче, няма какво да се брои. През ноември 1963 г. стартира спътникът Explorer-18 - първият космически кораб, пълен с микрочипове. През тази година в САЩ са продадени половин милион интегрални схеми, година по-късно - вече два милиона. Поради увеличените обеми на производство, средната цена на микрочип през 1964 г. падна до $ 18 50 цента. Струва си да се помни, че тогава най-модерните интегрални схеми съдържаха не повече от шест дузини компоненти.

Тогава, през 1964 г., микрочипите започват да се използват в електрониката на потребителите - те дебютират в слуховия апарат Arcadia от радио корпорация Zenith. Но истинският им триумф се случи през пролетта на 1971 г., когато Texas Instruments пуснаха първия в света електронен калкулатор Pocketronic (интересното е, че се появи в магазините на 14 април, точно преди официалната дата за подаване на данъчни декларации). Екипът на Килби го разработи четири години по-рано - отново такова значително забавяне се дължи на трудностите при масовото производство. Тази играчка струваше 150 долара, тежеше повече от килограм, отпечатваше резултатите на хартия, чувствителна към топлина (изобщо нямаше дисплей) и освен това беше обучена само в четири аритметични операции. Независимо от това, Pocketronic има огромен успех - вече през 1972 г. продажбите му достигат пет милиона. И през ноември същата 1971 г. корпорация Intel, създадена от Нойс и Мур, които напуснаха корпорация Fairchild, представи първия в света универсален микропроцесор, известния Intel 4004, стартиращ нова - компютърна епоха в историята на човешката цивилизация.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 3, март 2012 г.). Чудя се как работи ядрен реактор и могат ли роботите да построят къща?

Всичко за новите технологии и изобретения! добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Кои са биохакери
2019
Днес Земята преминава афелий!
2019
Двигател на космически кораби: какви хора ще летят в дълбокото пространство
2019