Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

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.

В 1965 г. Гордон Мур, один из «восьмерки предателей», обратил внимание на устойчивую закономерность в снижении размера и стоимости кремниевых транзисторов; эта закономерность подкрепляла стремительное развитие компаний из Кремниевой долины. Закон Мура гласит: число электронных элементов (транзисторов, резисторов и конденсаторов), которые можно поместить на компьютерном чипе, будет удваиваться каждый год [81]. В 1965 г. Мур ожидал, что темпы роста сохранятся как минимум десять лет, так что к 1975 г. число элементов, которые можно будет разместить на компьютерном чипе, вырастет с 60 до 60 000. К всеобщему удивлению, он оказался прав. Но справедливость закона Мура сохранилась и после 1975 г. Экспоненциальный рост мощности компьютеров и последующее снижение стоимости роста этой мощности продолжались и в последующие годы [82].

Сегодня самые современные микропроцессоры имеют более 2 500 000 000 транзисторов, размер которых снизился до невообразимых 22 нанометров, что всего в десять раз больше размера цепочки ДНК. В условиях общего роста компьютерной индустрии это обеспечило невероятный результат: в 2011 г. было изготовлено более 1018 (единица с восемнадцатью нулями) транзисторов. Это больше числа зерен риса, выращиваемого в мире каждый год, и больше количества букв, печатаемых в год во всех типографиях мира. Оказывается, что дешевле изготовить транзистор, чем напечатать одну букву в книге, газете или журнале. Процесс миниатюризации, описываемый законом Мура, обеспечивает все более быстрое производство все более дешевых чипов. А когда чипы становятся меньше и дешевле, они применяются во все большем количестве устройств и прочно входят в нашу повседневную жизнь. Как отмечал Мур в статье, в которой он впервые описал свой закон, «будущее интегральных схем – это будущее самой электроники» [83].