Обращение потенциала в реальность: изобретение микрохемы

В. Меркулов

В текущем году исполняется 50 лет созданию первой микросхемы и 85 лет со дня рождения ее изобретателя — американца Дж. Килби. В статье рассмотрены события, относящиеся к разработке миниатюрного интегрального устройства.

Радио послужило началом

Рис. 1. Наиболее удачная фотография Джека Килби

30 июня 1948 г. в конференц-зале Нью-Йоркского отделения американской исследовательской и разрабатывающей корпорации BELL LABORATORIES (BL) публично представляли изобретенный чуть более полугода назад транзистор [1]. Там присутствовал молодой инженер Джек Килби (08.11.1923- 20.06.2005). Наиболее удачная его фотография дана на рис. 1.

Килби родился и вырос в среде предприимчивых потомков ранних переселенцев в центральные сельскохозяйственные районы США. Интерес к радиоэлектронике у него пробудился в юношеском возрасте. Однажды, когда он учился в старшем классе средней школы, ураганным зимним ветром было повалено множество столбов телефонных линий и электропередающих башен в западной части штата Канзас. Его отец, работавший в энергетической компании, будучи радиолюбителем, с помощью других любителей-операторов радиосвязи из пострадавших районов начал по эфиру руководить восстановлением проводной инфраструктуры. Благодаря радио Килби еще приобщился и к слушанию популярных джазовых композиций.

Получив в 1947 г. высшее образование и квалификацию электроинженера, он пожелал работать в городеМилуоки (штат Висконсин) на предприятии CENTRALAB Division of Globe Union Inc., развивавшем разработки и изготовление ранних форм миниатюризации — трафаретных модулей для телевизоров, радиоаппаратуры и слуховых аппаратов. Реализующий их технологический процесс был известен как гибридно-толстопленочный. Метод изготовления заключался в нанесении рисунка из серебра на керамическую подложку или какойнибудь другой базовый слой (субстрат) для формирования проводящих дорожек. Угольными покрытиями получали резисторы. Конденсаторы малой емкости формировали в слоях субстрата. Конденсаторы большой емкости прикрепляли снаружи. Путем монтажа припаивали к подложке гнезда для электровакуумных приборов.

В 1951 г. в BL провели первый симпозиум по полупроводниковой технологии и начали продавать разрешения на производство транзисторов. CENTRALAB приобрело лицензию. Килби назначили руководителем проекта по изготовлению комплекта оборудования и налаживанию серийного выпуска и массовой продажи германиевых транзисторов в негерметизированной пластиковой оболочке. Немного позже в CENTRALAB начали выпускать усилители ЗЧ на них, пригодные, в том числе, для вещательных приемников и слуховых аппаратов. Одновременно стало известно, что транзисторы также востребованы и другими, причем более емкими и хорошо финансируемыми направлениями техники, особенно военными. Килби принял решение поменять место работы. Однако неожиданно выяснилось, что в IBM (International Business Machines) по инерции продолжали культивировать устаревшую технологию на толстом керамическом субстрате с применением радиоламп с волосковыми выводами. В компании MOTOROLA, хотя и проявили некоторый интерес к идеям по миниатюризации узлов радиоаппаратуры, предложили лишь частичную занятость.

Микросхемы, построенные Дж. Килби

Рис. 2. Американский физик и инженер М. Тоненбаум

Рис. 3. Плоскостной кремниевый транзистор структуры n-p-n

Постоянную работу на полный рабочий день Килби нашел в объединении TEXAS INSTRUMENTS (TI, основано в 1930 г. в городе Даллас штата Техас). К тому времени в январе 1954 г. американским физиком и инженером М. Тоненбаумом (рис. 2) в условиях исследовательской базы BL были завершены работы по теории и воплощению кремниевого транзистора. Однако в BL не осознали значимости изобретения, не увидели его коммерческого будущего. Подготовка к производству нового активного элемента получила продолжение в TI. Первый успешный и пригодный к практическому применению выращенный плоскостной кремниевый транзистор структуры n-p-n (рис. 3) особая команда сотрудников TI из четырех человек предъявила 14 апреля 1954 г. С германиевыми и кремниевыми транзисторами, пассивными элементами (резисторами, конденсаторами), в том числе и образованными путем варьирования полупроводниковыми материалами и их переходами, специализированными гибридными модулями, TI доминировала в сфере поставок все 1950-е годы.

К исполнению обязанностей в TI Килби приступил в мае 1958 г., когда начальники и сотрудники лабораторий ушли в очередные отпуска. В оставленном и неопределенно сформулированном задании ему рекомендовали найти пути сокращения габаритов выпускаемых изделий. Он начал с усилителя ПЧ супергетеродинного приемника, провел экономический анализ себестоимости намеченных к серийному производству модульных ячеек. Он пришел к выводу, что TI выгоднее свернуть ставшее традиционным изготовление их комплектующих, а вместо них в модули помещать аналогичные по техническим характеристикам элементы, сделанные из того же материала, что и активные составляющие. Он предложил оптимально располагать их для получения предельно коротких соединений.

Рис. 4.

24 июля 1958 г. в лабораторном журнале он впервые изложил предложение, назвав его «Монолитная идея», с эскизом проектируемого устройства — триггера (рис. 4). Наработанный материал он показал вышедшему из отпуска руководителю. Тот попросил провести принципиальное тестирование идеи — собрать элементы в произвольном конструктивном оформлении, чтобы только убедиться в работоспособности устройства.

Узел был смонтирован с использованием разрозненных пассивных и активных плоскосплавных кремниевых элементов. Резисторы были изготовлены путем нарезки тонких волосков кремния с последующим травлением их до получения требуемого значения сопротивления. Конденсаторы сделаны путем обрезания металлизированных с обеих сторон пластин, используемых при изготовлении мощных транзисторов. В собранном виде ячейка с составляющими элементами только из полупроводниковых материалов заработала и была показана руководству 28 августа 1958 г. Но она еще не была монолитной интегральной микросхемой.

В то время TI отдельным заказчикам опционно поставляло специализированные полупроводниковые изделия. Например, мощный кремниевый транзистор, адаптированный для устройств с общим эмиттером, несколько электрически объединенных маломощных германиевых транзисторов. Именно они послужили основой для комбинированного монолита из двух пластин с пассивными элементами и напыленными на них металлическими микропроводниками. Пластины были нарезаны размерами 10,16 мм (0,4«) в 3,05 мм (0,12») [2].

Для реализации идеи избрали генератор с фазосдвигающей RC-цепью-наиболее популярное демонстрационное решение в то время. К пятнице 12 сентября 1958 г. сконструировали три генератора. При подключении питания все они возбуждались на частоте 1,3 МГц. По прошествии недели, к 19 сентября, с использованием таких же элементов создали микросхему триггера.

В начале октября 1958 г. начали разрабатывать монолитную конструкцию триггера на основе подоспевших к тому времени в серийном выпуске новейших германиевых активных и пассивных элементов. Однако работа затянулась. Она была завершена в начале 1959 г. В феврале Килби в соавторстве с TI оформил заявку на изобретение (патент) интегральной микросхемы, положительное заключение по которой получил в 1964 г. Описание технологии ее изготовления, достигнутые при этом результаты он изложил в мартовском номере американского журнала «Solid Circuit» за 1959 г. Позднее в мемуарах он писал: «Я был в неведении относительно реалий поставленной задачи, что многим она оказалась не по силам; мне не с кем было советоваться».

Победила кремниевая технология

Изобретатель сплавного плоскостного транзистора (1951) американец У. Шокли (1910-1989) организовал в 1956 г. собственную фирму SHOCKLEY Semiconductor Labs (SHSL), однако не сумел заинтересовать творчески и материально ряд ведущих специалистов. И они ушли (Шокли назвал их «восьмеркой предателей»), образовав независимое предприятие FAIRCHILD Semiconductor (FCHS) в 1959 г.

Нойс у плаката с топологией собственной микросхемы

Во вновь созданной фирме к обязанностям руководителя и исполнителя работ по исследованиям свойств полупроводников и разработкам модулей приступил американец инженер-физик Р. Нойс (1927-1990). К середине 1959 г. им был воплощен еще один вариант микросхемы — триггера на четырех транзисторах на основе более практичной, как показало будущее, кремниевой планарной технологии (рис. 5). В июле того же года Нойс (в соавторстве с FCHS) оформил предварительную заявку на изобретение (патент) этой микросхемы с окончательным утверждением документа в 1961 г.

Приоритетной войне изобретатели не поддались. Победили взаимопонимание и сотрудничество. В конце 1950-х годов внедрение микросхем в индустриальную аппаратуру никому не казалось очевидным. Транзисторы, как отдельные элементы, пока не были надежными, микросхемы, вбиравшие в себя несколько активных элементов, воспринимались еще менее заслуживающими доверия. Неремонтопригодность их также относили к недостаткам.

Вплоть до середины 1960-х годов изобретатели многократно собирались вместе, дебатировали и обсуждали технические аспекты развития миниатюризации разных систем. В последующем изобретателем первой микросхемы признали Килби и выдвинули его на награждение Нобелевской премией по физике в 2000 г. (за базовые работы по информационным и коммуникационным технологиям) совместно с российским и американскимфизикамиЖ. Алферовым и Г. Кремером.

Рис. 6

Нойса стали считать автором получившей распространение кремниевой технологии, реально пригодной к применению. По прошествии лет на месте лаборатории FCHS, где Нойс создавал микросхему, поместили памятную доску (рис. 6). В 1979 г. президент США Дж. Картер (1924 г. рожд.) вручил Нойсу «Национальную медаль науки» (также на рис. 6)-высшую награду страны за выдающиеся достижения в науке и инженерии, учрежденную в 1959 г. В 1987 г. другой президент США Р. Рейган (1911 г. рожд.) наградил его еще одной «Национальной медалью за технологию», учрежденной в 1980 г. (в 2007 г. ее переименовали в «Национальную медаль за технологию и инновацию»).

Востребованными микросхемы стали в 1960 г. с приходом государственных постановлений по развитию космической лунной программы «Apollo» (в ответ на успехи Советского Союза в освоении космоса) и оснащению малой по габаритам и массе аппаратурой систем наведения межконтинентальных баллистических ракет «Minuteman». К середине 1960-х годов многим инициативным фирмам микросхемы были уже хорошо знакомы. Их начали устанавливать в потребительские устройства. А для еще большей популяризации приборов в 1964 г. Килби разработал пригодные для серийного выпуска модели малогабаритного калькулятора и термального принтера для печати штрихкодов.

«Силиконовая долина»

Рис. 7.

Названные выше фирмы SHSL, FCHS и созданная выходцами из них корпорация INTEL (1968 г.) послужили территориальному образованию прославившейся «Силиконовой долины», расположенной в южной части Долины Санта Клара в области залива Сан-Франциско штата Калифорния (рис. 7, из ресурса «Google maps» с высоты 75 км).

Термин появился в обращении в январе 1971 г. после начала публикования цикла технико-экономических статей под общим названием «Силиконовая долина США» в газетном еженедельнике «Electronics news». Через 25 лет после завершения работ по изобретению первых интегральных микросхем в знаменитой «долине» получили прописку около 100 больших и малых предприятий, специализирующихся на разработке нанотехнологий, микроэлектроники, программирования в гражданской и военной сферах. В 2006 г. журнал «Wall Street Journal» сообщил, что в штате Калифорния сосредоточены 13 из 20 американских городов, в которых совершаются важнейшие научно-технические открытия и изобретения, из них 10 находятся в «Силиконовой долине».

О том, какие нравы и конкуренция царят в ведущих информационно-технологических и коммуникационных корпорациях США, рассказано в [3]. По окончании рабочего дня в пятницу 26 января 2007 г. в 21.00 в актовом зале здания INTEL собрали пресс-конференцию для объявления очередной информации о технологии 45 нм производства микропроцессоров. Предполагалось получить выигрыш в два дня (до понедельника) перед конкурентами в рекламировании новейшего техпроцесса. Однако в этот же день с опозданием всего лишь на 1 ч (в 22.00) в пресс-центре корпорации IBM прошло журналистское собрание, где также сообщили о приближенно схожем технологическом прорыве. При всем том INTEL в продвижении новейших технологий реально опережает соперничающие организации примерно на 1...1,5 г.

Пришествие микроэлектроники в Россию

В России кремниевый транзистор повторили в 1956 г. [4], а образцы первых германиевых микросхем получили в 1959 г. [5], и в том же году приступили к производству кремниевых [6]. В эти же годы было закуплено для предприятий микроэлектроники страны в Европе и США специализированное оборудование для поточного выпуска полупроводниковых изделий. В зарубежные командировки направляли специалистов с целью ознакомления с опытом разработки микросхем и эксплуатации закупаемой техники. Отлично работала и отечественная техническая разведка.

В 1962 г. в строящемся под Москвой городе-спутнике (Зеленоград с 1963 г.) был организован Центр микроэлектроники (ЦМ), объединивший ряд НИИ и опытных заводов [5]. Помимо создаваемых специалистам творческих и административных возможностей роста, им еще без промедлений бесплатно выделяли комфортабельные для того времени квартиры. К 1971 г. в институтах и на заводах ЦМ работали 12 800 человек. В 1976 г. ЦМпреобразовали в НПО «Научный центр» (существующий и сейчас), вобравший в себя около 40 НИИ, КБ и заводов, в том числе из других городов страны, с общей численностью работающих около 80 000 человек.

Рис. 8. Радиоприемник Микро

Осенью 1963 г. в НИИ микроприборов ЦМ завершили разработку миниатюрного радиоприемника «Микро» (рис. 8) на основе гибридной микросхемы, собранного по схеме прямого усиления с шестью транзисторами и рассчитанного на прием ДВ, СВ с чувствительностью 35 мВ/м. Немного позже в обращение выпустили микроприемники «Эра», «Маяк». В зарубежных поездках первые лица государства приемник «Микро» использовали в качестве значительного подарка иностранным партнерам.

По мнению, изложенному в [5], в конце 1970-х-первой половине 1980-х годов разработки микросхем и микропроцессорной техники в НПО «Научный центр» по научно-техническому уровню находились в соответствии с аналогами, создаваемыми в США, европейских и азиатских странах. Однако по номенклатуре и объему выпуска предприятия объединения не могли соревноваться с зарубежными компаниями и корпорациями. Наметившемуся со второй половины 1980-х годов отставанию отечественной электроники от мирового уровня непроизвольно способствовали отдельные руководители и ведущие специалисты, начавшие больше внимания уделять потребительской сфере.

В появившихся мемуарах [5, 7] «бойцы вспоминают минувшие дни»: перечисляют централизованные постановления и участников большой работы. По мнению лауреата Нобелевской премии академикаЖ.И. Алферова [8], микроэлектроника заслуживала такого же внимания и выделения средств, какие получал в 1940-е и последующие годы, например, «атомный проект». Однако в стране не нашлось личностей масштаба именитых физиков А. Ф. Иоффе (1880-1960), И. В. Курчатова (1903-1960), Г. Н. Флерова (1913-1990)-участников и координаторов проекта, которые могли бы походатайствовать за нее. Отметим, что в США никто из знаменитых ученых не ходил по инстанциям и не просил за микроэлектронику. Она развивалась там в зависимости от спроса, а на начальном этапе-творческими усилиями мало кому известных специалистов и организаторов производства.

Автор статьи [9] предполагает, что проживающие на громадных территориях наши граждане исторически и психологически оказались более восприимчивыми к масштабным работам, развернувшимся в стране после Великой Отечественной войны: атомному вооружению, ракетостроению, космонавтике, нефтегазовой добыче и др. Возможно, на их мышление оказывает влияние и предпочтительное употребление известного русского крепкого напитка, о чем поведал Ж. И. Алферов в стихотворной части банкетной речи на церемонии присуждения ему Нобелевской премии [8, 10].

В правительственных и академических кругах перечисленные темы встречали высокое моральное и финансовое понимание. В этих сферах ученые, инженеры и рабочие чаще получали повышенные зарплаты, премии, льготы, присуждения званий и наград. В связи с чем и дефицит квалифицированных кадров там ощущался менее. Справедливо и образно заместитель министра внешней торговли сказал про естественную миграцию опытных специалистов в стране в послевоенное время: «Никто не хотел делать винты, все хотели делать вагоны» [11].

Микроэлектронику воспринимали как работу второго плана, поставщика «комплектующих», хотя и весьма важных. Никому не приходило в голову, что по прошествии немногих лет средства вычислительной техники, построенные на основе этих комплектующих, получат повсеместное распространение. Появятся Интернет, мобильная телефония, спутниковая связь, цифровое телевидение и др. По проникновению в промышленную, гуманитарную и потребительскую сферы последние достижения сравнимы с изобретениями, сделанными раньше: электричества, проводной связи, радио, телевидения, звукозаписи, автомобиля, самолета, бетона.

В мире имеются примеры быстрого освоения современных промышленных и информационных технологий. После окончания Второй мировой войны быстро приобщились к современным электронным технологиям Тайвань, Южная Корея, Япония. В последние десятилетия велики темпы прироста объемов производства электронной продукции в Бразилии, Индии, Китае. В Советском Союзе в феврале 1931 г. на Всесоюзной конференции работников социалистической промышленности руководитель государства сказал: «Мы отстали от передовых стран на 50...100 лет. Мы должны пробежать это расстояние в 10 лет». И действительно, к 1941 г. — началу Великой Отечественной войны — разрыв в техническом отставании был преодолен, правда, больше по направлениям военной индустрии.

Сейчас Россию относят к странам, ускоренно внедряющим информационные технологии. 26 ноября 2007 г. постановлением Правительства РФ утверждена федеральная целевая программа «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008...2015 гг. «Ожидается, что в 2008 г. в организациях микроэлектроники будет освоен технологический уровень 0,18 мкм; в 2011 г. планируется достижение уровня технологии 0,09 мкм с последующим переходом к 2015 г. до уровня технологии 0,045 мкм, что значительно сократит отставание российской микроэлектроники и радиоэлектроники от мировых показателей».

Ясновидящие

В 2008 г. журналисты популярного американского компьютерного журнала «PCWorld» по случаю 25-летия (основан в марте 1983 г.) составили рейтинг 50 технопровидцев, наиболее повлиявших на развитие современных информационных технологий [12]. Первое место в табеле о рангах заняли Дж. Килби и Р. Нойс; второе — изобретатели поисковой системы GOOGLE (1998) С. Брин и Л. Пейдж; третье-основатель (1975) MICROSOFT Б. Гейтс; четвертое — руководитель корпорации APPLE (1976) С. Джобс; пятое-изобретатель «WWW- всемирной паутины» (1989) руководитель WORLD WIDE WEB Consortium (1994) англичанин Тим Бернерс-Ли.

Интересно, что автор известного эмпирического вывода об удвоении числа транзисторов в микропроцессорах каждые 1,5...2 года (1965) Г. Мур занял только 11-е место, а изобретатель мобильного телефона (1973) С. Купер- 14-е. Среди ясновидящих-один выходец из России (С. Брин) и пять американских женщин (26, 31, 35, 44, 45-е места). Кроме Килби, никто из технопророков таблоида пока еще не прошел в Нобелевские лауреаты.

Китайские распродажи радио

Рис. 9. Радиоприемник Precision PS-298

Начиная с 1980-х годов в промышленном мире начали ощущать поступь китайской экономической модели — малозатратного производства массовой аппаратуры. Сегодня изготовленные в Китае и продаваемые по низким ценам довольно высокого качества электронные изделия буквально заполонили прилавки всего земного шара. Для примера укажем сведения о продающемся в российских магазинах и на рынках радиоприемнике «Precision PS-298», собранном на микросхеме (рис. 9): диапазон — 88 — 108 МГц (FM — УКВ-2) с автоматической электронной перестройкой по частоте; мощность стереоусилителя — 20 мВт (с выходом на головные телефоны). Он содержит светодиодный фонарь. Электропитание — элементы ААА в 2. Габариты — 72в57в15 мм. Изготовитель — фабрика GUILIN JINLAI Imp.&Exp.Co. Цена — 30...40 руб. и менее 1 долл. США при отгрузке оптом от поставщика.

Благодаря научным исследованиям и разработкам, выполняемым в промышленно развитых районах мира, и налаженному в азиатских странах производству технических изделий по низкой себестоимости, на протяжении уже многих лет проявляется тенденция — цены на электронную аппаратуру постоянно снижаются. В наступившем XXI веке она сохраняется независимо от финансовых кризисов, колебаний курсов валют, повышений цен на нефть, продукты питания, жилье и др.

Литература

1. Меркулов В. 60 лет создания транзистора. Начало применения полупроводников. — Радио, 2007,№ 12, с. 7-9; 2008, № 1, с. 5-7.
2. Kilby J.S. Turning Potential into Reality: The Invention of the Integrated Circuit. — Nobel Lecture, 2000, December 8.
3. Галактионов А. Пропавшая пятница или конец каменного века.
4. Чачин П. «Пульсару»-50 лет! — PCWeek/RE, 2003, № 47, с. 27.
5. Малашевич Б. Зеленоградский центр микроэлектроники: Создание, расцвет, закат... — Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2007, № 1, с.104-112.
6. Малин Б. Создание первой отечественной микросхемы. — ChipNews, 2000,№ 8.
7. Дьяков Ю.,Пивоваров А., Васенков А. Объединению «Научный центр» — 35 лет.
8. Алферов Ж. России без собственной электроники не обойтись. — Наука и жизнь, 2001, № 4.
9. Квон Д. Изобретение, сгубившее отечественную науку.
10. Alferov Zh. Banquet Speech.
11. Смеляков Н. Деловая Америка (записки инженера). — М.: Политиздат, 1970.
12. Top 50 Tech Visionaries.

Статья опубликована в журнале «Радио» № 10, 2008.
Перепечатывается с разрешения автора
Статья помещена в музей 20.01.2009