Эволюция интегральных схем: взгляд Роберта Нойса 0:08
В 1984 году Роберт Нойс, сооснователь Fairchild Semiconductor и Intel Corporation, выступил с лекцией в Музее компьютерной истории (Computer History Museum), посвященной 25-летнему юбилею интегральной схемы. В своем выступлении Нойс проследил путь развития полупроводниковых технологий от первых экспериментов 1950-х годов до перспектив начала 1980-х, анализируя как технические достижения, так и влияние миниатюризации электроники на общество.
От «поиска пути» к планарному транзистору 7:29
Ранний этап развития полупроводников был временем постоянных экспериментов и поиска эффективных методов создания транзисторов. В 1954 году рынок полупроводниковых устройств оценивался примерно в 25 миллионов долларов, при этом значительная часть исследований финансировалась Министерством обороны США.
Технические сложности того десятилетия были обусловлены несколькими факторами:
- Нестабильность материалов: Исследователи сталкивались с непредсказуемым поведением германия, который при нагреве и охлаждении менял тип проводимости с n-типа на p-тип. Позже выяснилось, что индий, используемый при создании транзисторов, выступал в роли «геттера», впитывающего примеси меди с поверхности.
- Ограниченность методов: Ранние методы, такие как выращивание слоев из расплава, позволяли создавать транзисторы, пригодные в основном только для слуховых аппаратов, так как их рабочая частота была крайне низкой.
- Изоляция и защита: Одним из ключевых прорывов стало использование фотогравировки, заимствованной из технологий производства телевизионных трубок, что позволило лучше контролировать геометрические размеры.
- Планарный транзистор: Важнейшим этапом, по мнению Нойса, стало внедрение планарного транзистора, предложенного Жаном Эрни. Оставление слоя диоксида кремния на поверхности кристалла позволило защитить транзистор от загрязнений и обеспечить надежность.
Рождение интегральной схемы 15:03
Идея создания интегральной схемы возникла из осознания неэффективности ручного труда: для сборки 10 000 транзисторов требовалось вручную присоединить 20 000 проводников, что требовало огромных затрат, часто переносимых в регионы с дешевой рабочей силой.
Нойс отметил, что изобретателю свойственна своего рода «лень» — нежелание выполнять работу «трудным путем». Концепция интегральной схемы заключалась в печати целой цепи непосредственно на кристалле, вместо сборки отдельных транзисторов на печатной плате.
Для реализации идеи потребовалось решение проблемы электрической изоляции элементов:
- Диодная изоляция: Использование обратносмещенных диодов.
- Физическая изоляция: Вытравливание и приклеивание компонентов.
- Внутренняя (интринзивная) изоляция: Попытка конвертировать кремний в изолятор с помощью бомбардировки нейтронами, которая, по признанию Нойса, оказалась неэффективной из-за токов утечки.
Законы роста и «Тирания чисел» 20:24
На ранних стадиях внедрение интегральных схем сталкивалось с «тиранией чисел» — низким выходом годной продукции. При выходе в 50% создание системы из 10 транзисторов приводило к неприемлемым потерям. Кроме того, существовало сопротивление со стороны проектировщиков, опасавшихся потерять уникальность своей работы при переходе на стандартные интегральные решения.
Однако развитие технологий шло по экспоненте, что получило название «закона Мура»:
- Увеличение размеров пластин: От 5/8 дюйма в 1963 году до 2 дюймов к 1970 году.
- Увеличение площади кристалла (die size): Стало возможным благодаря улучшению чистоты производства и снижению плотности дефектов.
- Масштабирование: Уменьшение размеров элементов не только повышало плотность размещения, но и увеличивало скорость работы цепей.
Переход к микропроцессорам и будущее 33:18
После того как полупроводниковые технологии доминировали на рынке памяти, стало логичным вернуться к логическим схемам. Микропроцессоры решили проблему кастомизации: вместо создания тысяч разных схем для разных устройств, стало возможным использовать один универсальный, программируемый контроллер.
Заглядывая в будущее, Нойс прогнозировал переход на технологию CMOS из-за низкого энергопотребления. Он также рассуждал о пределе миниатюризации, отмечая, что если удастся снизить рабочее напряжение, то в ближайшее десятилетие станет реальностью размещение от 100 миллионов до миллиарда транзисторов на одном кристалле.
Нойс предостерег от ошибки ранних прогнозистов, полагавших, что мир ограничится лишь четырьмя компьютерами, подчеркнув, что единственным пределом является лишь наше воображение в использовании этих «чудесных инструментов».
