Глава 3. Нойс, Килби и интегральная микросхема

Транзистор мог заменить вакуумные лампы только в том случае, если его удастся упростить и продавать в широких масштабах. Теоретизирование и изобретение транзисторов было лишь первым шагом; теперь предстояло производить их тысячами. Браттейн и Бардин мало интересовались бизнесом и массовым производством. В душе они были исследователями, и после получения Нобелевской премии продолжили свою карьеру, занимаясь преподаванием и экспериментами. Амбиции Шокли, напротив, только росли. Он хотел быть не только знаменитым, но и богатым. Он говорил друзьям, что мечтает видеть свое имя не только в научных изданиях, таких как Physical Review, но и на сайте в Wall Street Journal. В 1955 г. он основал компанию Shockley Semiconductor в пригороде Сан-Франциско Маунтин-Вью, штат Калифорния, недалеко от Пало-Альто, где все еще жила его стареющая мать.

Шокли планировал создать лучшие в мире транзисторы, что стало возможным благодаря тому, что компания AT&T, владелец Bell Labs и патента на транзистор, предложила лицензировать устройство другим компаниям за $25 000 - выгодное предложение для самой передовой технологии электроники. Шокли предполагал, что рынок для транзисторов найдется, по крайней мере, для замены вакуумных трубок в существующей электронике. Однако потенциальный размер рынка транзисторов был неясен. Все соглашались с тем, что транзисторы - это умная технология, основанная на самых передовых достижениях физики, но транзисторы будут востребованы только в том случае, если они будут делать что-то лучше, чем вакуумные трубки, или их производство будет более дешевым. Шокли вскоре получит Нобелевскую премию за свои теоретические разработки в области полупроводников, но вопрос о том, как сделать транзисторы практичными и полезными, был дилеммой инженера, а не теоретика.

Вскоре транзисторы стали использоваться в компьютерах вместо вакуумных ламп, но разводка между тысячами транзисторов создавала сложные джунгли. Джек Килби, инженер компании Texas Instruments, провел лето 1958 года в своей техасской лаборатории, сосредоточившись на поиске способа упростить все эти сложности, связанные с проводами, которые требовали системы с транзисторами. Килби был мягким, коллегиальным, любопытным и тихо блестящим. "Он никогда не был требовательным", - вспоминал один из коллег. "Ты знал, что он хочет, чтобы произошло, и старался сделать все возможное, чтобы это произошло". Другой коллега, который регулярно обедал с Килби на барбекю, сказал, что он был "таким милым человеком, какого только можно пожелать встретить".

Килби был одним из первых, кто начал использовать транзистор за пределами Bell Labs, после того как его первый работодатель, компания Centralab, расположенная в Милуоки, лицензировала технологию у AT&T. В 1958 г. Килби покинул Centralab и перешел на работу в транзисторное подразделение компании Texas Instruments. Компания TI, расположенная в Далласе, была основана для производства оборудования, использующего сейсмические волны, чтобы помочь нефтяникам выбрать место для бурения. Во время Второй мировой войны компания была привлечена ВМС США для создания гидролокаторов, позволяющих отслеживать вражеские подводные лодки. После войны руководители TI поняли, что эти знания в области электроники могут быть полезны и в других военных системах, и наняли инженеров, подобных Килби, для их создания.

Килби приехал в Даллас как раз в период июльских отпусков, но отпускных у него не было, поэтому на пару недель его оставили в лаборатории одного. Имея время для возиться, он задумался, как уменьшить количество проводов, необходимых для соединения различных транзисторов. Вместо того чтобы использовать для изготовления каждого транзистора отдельный кусок кремния или германия, он решил собрать несколько компонентов на одном куске полупроводникового материала. Когда его коллеги вернулись с летних каникул, они поняли, что идея Килби была революционной. В одну пластину кремния или германия можно было встроить несколько транзисторов. Килби назвал свое изобретение "интегральной схемой", но в просторечии ее стали называть "чипом", поскольку каждая интегральная схема изготавливалась из кусочка кремния, "отколотого" от круглой кремниевой пластины.

Примерно за год до этого в Пало-Альто (Калифорния) группа из восьми инженеров, работавших в лаборатории полупроводников Уильяма Шокли, заявила своему начальнику, лауреату Нобелевской премии, что увольняется. Шокли умел замечать таланты, но был ужасным руководителем. Он процветал на противоречиях и создавал токсичную атмосферу, которая отторгала от него молодых талантливых инженеров, которых он собрал. Поэтому восемь инженеров покинули Shockley Semiconductor и решили основать собственную компанию Fairchild Semiconductor, получив начальное финансирование от миллионера с Восточного побережья.

Восьмерым перебежчикам из лаборатории Шокли многие приписывают роль основателей Силиконовой долины. Один из них, Юджин Клейнер, впоследствии основал одну из самых влиятельных в мире венчурных фирм Kleiner Perkins. Гордон Мур, который впоследствии руководил научно-исследовательским процессом в компании Fairchild, ввел понятие "закон Мура" для описания экспоненциального роста вычислительной мощности. Самым важным был Боб Нойс, лидер "предательской восьмерки", который обладал харизматическим, провидческим энтузиазмом в отношении микроэлектроники и интуитивным пониманием того, какие технические достижения необходимы для того, чтобы сделать транзисторы миниатюрными, дешевыми и надежными. Сопоставление новых изобретений с коммерческими возможностями - именно то, что нужно было такому стартапу, как Fairchild, чтобы добиться успеха, и то, что нужно было индустрии микросхем для взлета.

К моменту основания компании Fairchild научные основы транзисторов были в общих чертах ясны, но их надежное производство представляло собой чрезвычайно сложную задачу. Первые серийные транзисторы были изготовлены из блока германия, на который были нанесены слои различных материалов в форме мезы из пустыни Аризона. Эти слои были получены путем покрытия части германия каплей черного воска, использования химического вещества для вытравливания германия, не покрытого воском, и последующего удаления воска, в результате чего на германии образовывались мезы.

Недостатком меза-структуры было то, что она позволяла загрязнениям, таким как пыль или другие частицы, оседать на транзисторе, вступая в реакцию с материалами на его поверхности. Коллега Нойса Жан Хоерни, швейцарский физик и заядлый альпинист, понял, что мезы не нужны, если весь транзистор может быть встроен в германий, а не на его поверхности. Он разработал метод изготовления всех деталей транзистора путем нанесения защитного слоя диоксида кремния на пластину кремния, затем вытравливания отверстий в необходимых местах и нанесения дополнительных материалов. Такой способ нанесения защитных слоев позволил избежать воздействия воздуха и примесей, способных вызвать дефекты. Это был серьезный шаг вперед в области надежности.

Несколько месяцев спустя на сайте Нойс понял, что "планарный метод" Хоерни может быть использован для создания нескольких транзисторов на одном куске кремния. Если Килби, не подозревая о том, что Нойс изготовил меза-транзистор на германиевой базе, а затем соединил его проводами, то Нойс использовал планарный метод Хоерни для создания нескольких транзисторов на одном чипе. Поскольку планарный процесс покрывал транзистор изолирующим слоем диоксида кремния, Нойс мог прокладывать "провода" непосредственно на чипе, нанося на него металлические линии, проводящие электричество между транзисторами чипа. Как и Килби, Нойс создал интегральную схему: несколько электрических компонентов на одном куске полупроводникового материала. Однако в варианте Нойса вообще не было отдельно стоящих проводов. Транзисторы были встроены в единый блок материала. Вскоре "интегральные схемы", разработанные Килби и Нойсом, стали называть "полупроводниками" или, проще говоря, "чипами".

Нойс, Мур и их коллеги из компании Fairchild Semiconductor знали, что их интегральные схемы будут гораздо надежнее, чем лабиринт проводов, на которых базировались другие электронные устройства. Казалось, что миниатюризировать "планарную" схему Fairchild гораздо проще, чем стандартные меза-транзисторы. При этом более компактные схемы будут требовать меньше электроэнергии для работы. Нойс и Мур начали понимать, что миниатюризация и электрическая эффективность - это мощная комбинация: меньшие транзисторы и снижение энергопотребления создадут новые возможности для использования их интегральных схем. Однако на первых порах интегральная схема Нойса обходилась в пятьдесят раз дороже, чем более простое устройство с отдельными компонентами, соединенными между собой проводами. Все соглашались с тем, что изобретение Нойса было умным и даже гениальным. Все, что ему было нужно, - это рынок.