Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

Любая вычислительная задача может быть разбита на последовательность простых логических действий, таких как решение суммировать два числа или выбрать одно из них. Эти действия контролируются «логическими вентилями», служащими базовыми строительными блоками цифровых схем. Логические вентили изготавливаются из транзисторов и других простых приспособлений и используют транзисторы как «ключи» для передачи сигналов. Большинство логических вентилей имеет два положения «включено» – «выключено», которые выполняют роль входов. Каждый может быть либо во «включенном», либо в «выключенном» состоянии. Обычно они обозначаются как «0» и «1», и выходной сигнал логического вентиля определяется двумя входными сигналами, а также типом самого вентиля. Например, логический вентиль «И» даст на выходе 1, только если сигнал 1 имеется на обоих входах. Все другие сочетания входных сигналов (0 и 1, 1 и 0, 0 и 0) дадут на выходе 0. Компьютер в простейшем виде представляет собой совокупность таких транзисторных логических вентилей, соединенных для получения сложного выходного сигнала. Мощность и сложность компьютера растут по мере того, как соединяется все больше и больше логических вентилей.

Транзисторы позволяют это, потому что имеют малые размеры, очень дешевы и потребляют минимум энергии, что позволяет объединить в одном компьютере огромное количество транзисторов. Быстродействие делает компьютеры полезными. Выполнение транзистором функции включения-выключения осуществляется слабым электрическим сигналом. Малые размеры транзистора и высокая скорость движения электронов позволяют переводить транзистор из включенного состояния в выключенное более 100 000 000 000 раз в секунду. Если бы вы нажимали клавишу электрического выключателя пальцем, то на выполнение такого количества переключений вам потребовалось бы 2000 лет. Полупроводниковые свойства кремния делают его идеально подходящим для выполнения таких переключений, хотя для этого прежде использовались и другие полупроводники, в частности германий, а современные транзисторы могут изготавливаться из многих разных сплавов. Однако ни один из них не может соперничать с кремнием с точки зрения сочетания высокой производительности и низкой стоимости [71].

Однако свое первое коммерческое применение транзистор нашел не в компьютерах, а в технологиях, использовавших другие его возможности, например усиление электрических сигналов. В частности, транзисторы использовались в слуховых аппаратах фирмы Sonotone, впервые выпущенных в 1952 г. Тот же принцип применялся и в радиоприемниках, обеспечивая усиление электромагнитных волн, которые распространяла передающая станция. Небольшие размеры транзистора позволили значительно снизить габариты и стоимость радиоприемников, ставших переносными и, таким образом, позволили владельцам постоянно принимать распространяемую в эфире информацию. Транзисторные радиоприемники провозгласили наступление новой эры для популярной музыки, которую теперь каждый мог слушать где угодно и когда угодно. По мере появления новых товаров пришло и широкое понимание важности транзисторов. В марте 1953 г. Fortune напечатал статью под заголовком «Год транзистора». «В транзисторе и новых электронных устройствах на твердом теле, – утверждалось в статье, – человек может надеяться найти мозг для управления мускулами ядерной энергии» [72].

Кремний встал в ряд с ураном и титаном – послевоенными «чудесными элементами».

Кремниевый чип

Вскоре после того, как Шокли, Бардин и Бреттен создали первый транзистор, отношения между ними начали портиться. Амбициозный Шокли полагал, что не получил адекватного признания за свое изобретение [73]. Он почувствовал себя неуютно в Белловских лабораториях, где очевидное отсутствие управленческих способностей и вздорный характер мешали его карьерному росту. В 1956 г. во многом под влиянием Фредерика Термана, ректора Стэнфордской технической школы, он уволился из Белловских лабораторий и переехал в Калифорнию, где основал собственную компанию Shockley Semiconductor. Терман хорошо понимал потенциал полупроводниковой индустрии и хотел, чтобы в нее шли работать его студенты. Совместными усилиями Шокли и Терман сумели переместить главные силы полупроводниковой индустрии с Восточного на Западное побережье США, где заложили фундамент для будущего феномена Кремниевой долины.

В Shockley Semiconductor исследованием потенциала кремния начали заниматься несколько блестящих специалистов. «Ни обработка, ни физические свойства [кремния] не были хорошо изучены, – писал Гордон Мур, работавший в то время в компании. – Мы всего лишь исследовали технологию и думали над тем, что можно сделать, и нам нужно было решить много задач, прежде, чем мы могли бы что-то испытать и создать» [74]. Однако работать в Shockley Semiconductor было непросто. Скверный характер Шокли и неумение управлять людьми способствовали высокой текучести кадров. Он был известен тем, что публично объявлял об увольнении своих сотрудников и требовал проверки на детекторе лжи тех, в ком у него возникали малейшие сомнения. Шокли и его работники расходились во взглядах не на общее направление деятельности компании, а на то, коммерциализацией каких новых изобретений следует заниматься. После года работы под руководством Шокли группа из восьми самых талантливых и амбициозных сотрудников решила покинуть компанию. «Восьмерка предателей» вступила в контакт с Бадом Койле и Артуром Роком, пионером использования венчурного капитала. Койле и Рок убедили их, что следует не искать другую компанию, а создать свою собственную. Получив 1,4 млн долл. от Шермана Фэрчайлда, изобретателя и бизнесмена, имевшего крупную долю в IBM, группа перебралась в окрестности калифорнийского города Пало Альто и основала там Fairchild Semiconductor.

В то время одной из главных технических задач было обеспечение надежной работы транзисторов, так как электровакуумные лампы были не только громоздкими, но и ненадежными. Каждый транзистор должен был подсоединяться к электрической цепи с помощью проводов, которые требовалось припаивать вручную. По мере того как число электрических цепей в компьютере увеличивалось, росла и вероятность нарушения любого из соединений. Риск отказов был высок. Другие составляющие электрических цепей (например, сопротивления) делались не из кремния, а из углерода и других материалов. Производство электрических цепей оказывалось дорогим и неэффективным процессом [75]. В 1958 г. Джек Килби, ученый из Texas Instruments, начал готовить изменения в электрических цепях. В итоге созданы «интегральные схемы», все элементы которых из кремния. Но схемы Килби все равно приходилось подсоединять тонкими проводами.

В Fairchild Semiconductor недавно изобрели метод компоновки и защиты этих элементов за счет использования слоя двуокиси кремния, которая естественным путем образуется на кремниевой поверхности [76]. Роберт Нойс, один из соучредителей Fairchild, описывал процесс как похожий на «создание транзистора внутри кокона из двуокиси кремния для того, чтобы он никогда подвергался вредным воздействиям. Это подобно открытию операционной в джунглях. Вы помещаете пациента в пластиковый мешок, внутри которого и проводите операцию, и не позволяете мошкаре, летающей в джунглях, садиться на рану» [77]. Нойс начал думать, что еще можно сделать. Он понял, что оксидный слой мог бы использоваться для упрощения производства и снижения затрат на создание электронных схем в целом. Диэлектрические свойства оксидного слоя давали возможность изготавливать все части схемы одновременно на одном куске кремния. Вместо проводов они могли бы соединяться с помощью тонкого листа металла, положенного поверх диоксидного слоя. Всякий раз, когда в нем пробивалось бы отверстие, образовывалась бы электрическая связь с элементом, расположенным внизу. Электрические соединения могли бы теперь «печататься» на схеме, а не выполняться с помощью ненадежных проводов. Нойс назвал свое изобретение «интегральной схемой», в которой транзисторы, конденсаторы и сопротивления печатаются и соединяются одновременно на одном отрезке [78]. Это позволило усилить надежность, причем настолько, что даже NASA использовало интегральные схемы на космических кораблях «Аполлон». Производственные издержки также значительно сократились. Бардин полагал: осознание естественной способности кремния образовывать защитный диоксидный слой привело к изобретению, столь же важному, как колесо [79].

Закон Мура

Благодаря изобретению Нойса Fairchild Semiconductor стала лидером в разработке и производстве интегральных схем. Компания быстро росла: ее доход в 1958 г. составил 500 тыс. долл., а к 1960 г. увеличился в 40 раз [80]. Вокруг нее создавались многие компании, занимавшиеся разработкой компьютерных технологий и программного обеспечения, и их местонахождение стало называться Кремниевой долиной.