`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Bell Labs: упущенная возможность, или Роль личности в технологии

Статья опубликована в №23 (591) от 19 июня

+33
голоса

Микроэлектроника, стерильно чистое производство, промышленность микрочипов с миллиардными оборотами – это знает каждый. Но если мы посмотрим на историю ее становления, то обнаружим полную драматизма борьбу идей и жесткой конкуренции ведущих производителей. Первый транзистор был изобретен в декабре 1947 г. в лабораториях компании Bell (Bell Labs). Затем в 1958 г. были созданы интегральные микросхемы в Texas Instruments. Позже появились технологии металл-оксид-полупроводник (МОП и КМОП), развитие которых и привело мир в эпоху полупроводников.

Человек, который задавал тон в технологии транзистора,
так и не смог оценить его полный потенциал.

Bell Labs упущенная возможность, или Роль личности в технологии
Так выглядел первый транзистор (1947 г.)

В течение 50-х и 60-х годов прошлого века – золотого периода для Лабораторий Белла – Джек Мортон (Jack Morton) возглавлял команду разработчиков, которая решила практически все ключевые проблемы промышленной технологии транзисторов. Под его руководством сотрудникам Лабораторий удалось превратить транзистор из многообещающей, но рахитичной лабораторной штуковины в продукт, что, в конечном счете, произвело революцию в электронике.

Он был смелый, энергичный, решительный администратор, не переносивший дураков, а с некоторыми из всемирно известных, наиболее интеллектуальных и творческих исследователей, участвующих в проектах, у него были сложные отношения.

В то же время следует отметить, что Мортон не всегда принимал правильные решения. Один из его коллег как-то сказал, что авторитарное руководство скорее может стать недостатком, чем достоинством. В частности, в отношении интегральных микросхем Мортон проявил роковую недальновидность, дорого стоившую телефонной компании AT&T. Но преждевременная смерть избавила его от ответственности за последствия сделанного им выбора.

Bell Labs упущенная возможность, или Роль личности в технологии
После изобретения транзистора в конце 1947 г. Мортон (в бабочке) сформировал группу, включив в нее Роберта Райдера (крайний слева), для его коммерциализации. Моррис Таненбаум и Чарльз Ли (на фото справа) разработали первый промышленный транзистор с диффузионной базой в Лабораториях Белла

Подобно многим видным фигурам в полупроводниковой промышленности – Джону Бардину (John Bardeen), Нику Холониаку (Nick Holonyak), Джеку Килби (Jack Kilby), Роберту Нойсу (Robert Noyce) – Джек Мортон родился и вырос в прагматичном центре Америки. Детство его прошло в Сент-Луисе, затем он учился в Университете Вейна (Wayne University) в Детройте, где был лидером на факультете электротехники. Он страстно хотел защитить диплом в Мичиганском университете (University of Michigan) и мечтал об академической карьере, когда в 1936 г. директор Лабораторий Белла Мервин Келли (Mervin Kelly) предложил перспективному молодому студенту должность инженера-исследователя. Мортон принял предложение, планируя одновременно получить степень доктора философии по физике в Университете Колумбии. В Bell Labs он начал работать в тот же год, что и Джон Пирс (John Pierce), который в дальнейшем стал пионером спутниковой связи, Клод Шеннон (Claude Shannon), заложивший основы теории информации, и Уильям Шокли (William Shockley), впоследствии получивший с соавторами Нобелевскую премию за изобретение транзистора.

Bell Labs упущенная возможность, или Роль личности в технологии
Изобретатель микросхем Джек Килби

Мечтательный провидец Келли возглавил отдел разработки электронно-вакуумных ламп. С особой остротой он чувствовал ограничения больших энергоемких устройств и проблемы с электромеханическими реле, в то время широко использовавшимися в телефонии для соединения абонентов в системах Белла. Он предвидел, что когда-нибудь все переключения будут выполняться полностью электронными средствами, основанными на твердотельных устройствах. Чтобы осуществить свои планы, Келли нанимал лучших ученых и инженеров, которых смог прельстить работой в промышленной лаборатории. Вторая мировая война помешала завершению проекта. Келли занялся важной работой военного времени – развитием радиолокационной техники в Лабораториях Белла Западной электрической компании (Western Electric Co.,) и AT&T, производивших военную продукцию.

Мортон также выполнял военные заказы. Как раз перед войной он разрабатывал микроволновые усилители, нашедшие применение в радиолокационных станциях, что обеспечило ключевое преимущество радиолокационным системам союзнических сил в Тихоокеанском регионе. После войны им был создан вакуумный триод размером с орех арахиса, усиливающий микроволновые сигналы. Этот триод послужил основой трансконтинентальной системы радиорелейных станций микроволнового диапазона, которые AT&T начала строить в конце 40-х годов, и в последующие десятилетия продолжал использоваться в трансатлантических системах передачи телевизионных сигналов.

К 1948 г. Мортон имел репутацию инженера, одаренного богатым воображением, и знающего, как довести сложные электронные устройства до промышленного производства. Однажды Келли вызвал его в офис. Встреча тет-а-тет, ничего не значащая для Келли, который уже достиг положения исполнительного вице-президента, имела легендарные последствия. Друг Мортона позднее описывал ее так:

«Мортон, – начал Келли, – вам известно о нашей работе в области транзисторов?»

«Да, сэр. – Мортон ответил нерешительно. Он слышал о секретном новом усилителе на полупроводнике, который месяцем раньше изобрели Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн, но не был уверен в этом. – По крайней мере, я знаю, что это очень важно».

«Мортон, я собираюсь уехать на четыре недели, – продолжал Келли повелительно. – К своему возвращению я хотел бы видеть сообщение от вас о транзисторе. Я хочу, чтобы Вы сообщили мне, как доработать его до коммерческого производства».

Келли не знал, что Мортон боялся его с тех пор, как начал работать в Лабораториях, и теперь был испуган перспективой неудачи в столь серьезном деле. Следующие три недели Мортон говорил с учеными и инженерами, работающими над транзисторами, но сделал небольшие успехи. В последнюю неделю он собрал все данные вместе и скомпоновал сообщение на 46 страницах. Келли прочитал отчет, одобрил его, и немедленно назначил Мортона ответственным за развитие транзисторного направления.

Bell Labs упущенная возможность, или Роль личности в технологии
Одна из первых интегральных микросхем Роберта Нойса, 1958 г.

Точечно-контактный транзистор Бардина и Браттейна представлял собой сырое, хрупкое устройство, состоящее из двух близкорасположенных металлических контактов, прижатых к кристаллу германия. То, что это сооружение работало, было маленьким чудом. Линия опытного производства в Лабораториях уже выпускала сотни прототипов каждую неделю для дальнейшего экспериментирования, измерения и испытания. Но транзисторы были крайне несовершенны – они имели огромные шумы, значительный разброс параметров и низкую надежность. «В первое время работа транзистора была способна измениться, если кто-то хлопнул дверью», – писал Мортон в статье в журнале Fortune (1953).

В конце 1948 г. он собрал около двух дюжин инженеров и техников и создал команду для разработки транзисторов, годных к серийному производству. По свидетельству двух его сотрудников, Юджина Андерсона (Eugene Anderson) и Роберта Райдера (Robert Ryder), Мортон уже, казалось, знал, что их работе суждено стать исторической: «Мы изменим мир, – пророчил он. – Я еще не знаю, каким способом, но мы это сделаем».

Команда Мортона атаковала проблемы шума и надежности сразу по нескольким направлениям и к середине 1949 г. уже имела две улучшенные версии: одну – для усиления сигналов и другую – для переключения. Компания Western Electric начала выпуск транзисторов в 1950 г., и системотехники Белла вскоре нашли для них применение. Первым коммерческим изделием был звукогенератор, используемый как сигнал телефонного вызова.

Мортон также предвидел то, что впоследствии стало известным как «фундаментальное развитие» основных технологических процессов и технологий, которые могли бы стать для новой полупроводниковой промышленности решающими. Например, когда химик Гордон Тил (Gordon Teal) не смог убедить своего министра позволить ему выращивать большие монокристаллы германия для использования в создании транзисторов, он обратился за поддержкой к Мортону. Имея опыт выпуска электронных ламп, тот понял, что и транзисторное производство требует почти идеальных условий для выращивания кристаллов, поэтому он быстро нашел деньги, нужные для приобретения или конструирования необходимого оборудования. Доллар на доллар – это были, вероятно, лучшие инвестиции за всю историю Bell Labs.

Мортон знал, как внедрить исследовательские идеи и конструкции из лабораторий в производство Western Electric. Здесь основа была заложена его наставником, Келли, который еще во время войны понял, в чем препятствия при передаче технологии от изолированной центральной лаборатории к промышленному выпуску. Он чувствовал, что люди, работающие в цехе, должны быть знакомы с самыми последними научными и технологическими достижениями, особенно при изготовлении высокотехнологичных компонентов. Итак, после 1945 г. на нескольких заводах компании Western Electric он создал систему лабораторий, состоящих из служащих Bell Labs, и сосредоточил их усилия на технологии производства и поддержании обратной связи с их коллегами в Мюррей Хилле (Murray Hill).

Этот подход был реализован на новом заводе Western Electric в Аллентауне (Allentown, Pa.), производившем электронные приборы и компоненты для систем Белла. Он организовал там группу развития полупроводниковых технологий и назначил ответственным Андерсона. Инженер-электронщик, тот с самого начала был знаком с командой Мортона по разработке транзистора в Мюррей Хилл и обладал солидными знаниями в области физики твердого тела и полупроводниковой технологии.

Таким образом, команда Мортона была сбалансирована и готова к созданию промышленного транзистора. И уже в середине 1951 г. Лаборатории Белла объявили об успешном изготовлении плоскостного транзистора, значительно превосходящего по надежности и технологичности хрупкое точечно-контактное устройство Бардина и Браттейна. Шокли и химик Морган Спаркс (Morgan Sparks), использовавший установку Тила для выращивания кристаллов, разработали трехслойную конструкцию на основе германия. Она имела намного более простую структуру, чем точечно-контактный транзистор и заметно превосходила его по временныóм и динамическим характеристикам. Было очевидно, что плоскостной транзистор практически готов для коммерциализации. И группа Мортона, преодолев все препятствия, примерно за год запустила его в производство.

Первые транзисторы изготовляли из германия, а не из кремния. Хотя более низкая точка плавления германия упрощала процесс очистки, транзисторы были слишком чувствительны к изменениям температуры. Кроме того, переключатели на германиевых транзисторах не отличались совершенством: крошечные токи утечки продолжали существовать даже тогда, когда устройства были номинально выключены. Токи утечки в кремниевых приборах намного меньше, но с ним намного труднее работать. В начале 50-х только несколько дальновидных исследователей подобно Шокли предвидели, что кремний – полупроводниковый материал будущего.

В 1954 г. в Bell Labs Моррис Таненбаум (Morris Tanenbaum) создал первый кремниевый транзистор. Несколько позже в том же году компания AT&T разработала первую электронную коммутационную систему, известную как ESS-1, выполненную на полупроводниковых приборах практически без электромеханических переключателей. Пробный выпуск был начат в 1958 г.

Мортон стоял перед критическим выбором: использовать ли известную (к тому времени) германиевую технологию или сделать ставку на кремний, которому все еще предстоял долгий путь развития, что было на то время достаточно рискованным предприятием. И Спаркс, и Таненбаум, занимавшиеся исследованиями, не волновались относительно производственных проблем и теперь говорили о непредусмотрительности и о том, что выбор кремния не вызывал сомнений. В то время, однако, это было совсем не так очевидно.

В марте 1955 г. Таненбаум улучшил свое раннее изобретение для очистки кремния от примесей. Этот процесс дал возможность создавать в транзисторах очень тонкую базу – микронной толщины. Новое устройство получило известность как транзистор с диффузионной базой и могло работать на частотах свыше 100 MHz в диапазоне FM-радиовещания и телевидения. Такая высокая частота, приблизительно в 10 раз боóльшая, чем у предыдущих транзисторов, позволяла использовать его и для электронной коммутации.

Мортон услышал эту новость, находясь в Европе. Он немедленно отменил все планы и устремился назад, в Аллентаун. «В снежный, хмурый день, – вспоминает Андерсон, – Мортон заявил – кремний как материал и диффузия как технология послужат фундаментом для будущего развития транзисторного и диодного производства в Bell System».

Решение оказалось правильным. Исследователи Bell Labs вскоре преодолели трудности с очисткой кремния и выращивания кристаллов. Тогда же они нашли способ изготовления стекловидной защитной оксидной пленки на кремниевой поверхности, которая могла бы применяться в процессе имплантации примеси. Корпорация Fairchild Semiconductor (Mountain View, Ca.) под руководством Роберта Нойса адаптировала эти кремниевые технологии для создания первых коммерческих интегральных схем (ИС) в 1961 г. Western Electric, в свою очередь, использовала запатентованный Fairchild планарный процесс для производства кремниевых транзисторов с диффузионной базой для ESS-1 Bell System, которая стала применяться в телефонной связи в начале 60-х. Наконец мечта Келли об электронной коммутации, в том числе благодаря храбрости и предвидению Мортона, превратилась в реальность.

В Bell Labs не изобрели микросхемы, несмотря на то что разработали почти всю основную технологию. Этот озадачивающий факт может быть приписан отчасти сравнительно узкой ориентации компании на телефонную связь и быструю коммерциализацию изделий. Как объяснил однажды в интервью президент Bell Labs Иан Росс (Ian Ross), Лаборатории фокусировались на разработке надежных дискретных устройств, в течение сорока лет использовавшихся в системах Белла, а не интегральных микросхем. Действительно, главные заказчики микрочипов – военные, особенно после запуска первого советского спутника – готовы были платить более 100 долл. за сверхлегкий чип, содержащий целую совокупность схем. Но телефонная компания в то время не сильно нуждалась в подобной экзотике. «Вес центральных переключающих пунктов не имел большого значения для AT&T», – саркастически заметил Росс, который еще в 1956 г. поддерживал идею ИС.

Тем не менее в итоге компания все-таки пришла к применению интегральных схем. Можно представить телефонную систему Белла как всемирный гигантский компьютер с аналоговыми и цифровыми блоками. Ее центральные станции имеют поистине фантастические запросы к объему памяти и вычислительной мощности для обработки информационных потоков, а и то и другое могло бы лучше работать на микросхемах. И это были программно-управляемые микрочипы, которые в 70-х привели электронную коммутацию к реальным успехам. Но к тому времени AT&T уже проиграла отчаянную гонку в освоении данной критической технологии.

И частично виноват в этом был Мортон, недооценивший потенциал ИС и БИС (больших интегральных схем). Он был убежден в «тирании больших чисел», полагая, что с ростом количества транзисторов на кристалле процент выхода годных интегральных микросхем станет неприемлемо низким. Даже при том, что каждый отдельный компонент (чаще всего транзистор), мог бы производиться с выходом 99%, это число должно быть умножено на количество компонентов в интегральной схеме, что приведет к крайне низкому выходу работающих микросхем, рассуждал он. Таненбаум так пояснял мысль Мортона : «Это эффект большого количества яиц: чем больше вы их накладываете в корзину чипа, тем вероятнее, что он будет плохой».

И надежность страдала бы так же, считал Мортон. Так как он занимал высокий пост (в 1958 г. он стал вице-президентом компании), в начале 60-х подобные мысли доминировали в Лабораториях Белла. «Мортон был сильный, запугивающий лидер, – вспоминал Юджин Гордон (Eugene Gordon), работавший на него тогда. – Он мог принимать неправильные решения и оставаться вне критики из-за своего авторитарного стиля». Предшествующая история успехов Мортона, вероятно, способствовала его уверенности в собственной непогрешимости.

Однако его «тираническая» гипотеза в итоге не оправдалась. Интенсивность отказов компонентов микрокристалла усредняется по полной поверхности кремниевой пластины. Каждая пластина может иметь плохие области, существенно снижающие среднее число, в то время как лучшие из них намного повышают количество успешных попыток, ведя полный выход к приемлемым величинам.

Бывшие аутсайдеры Кремниевой Долины, фирмы Fairchild и Texas Instruments, преодолели ложные концепции и наладили производство микрочипов.

Bell Labs упущенная возможность, или Роль личности в технологии
Рисунок из записной книжки Браттейна, где изображена электрическая схема прибора, который был продемонстрирован в 1947 г.

В 60-е годы Мортон продолжал настаивать на бесперспективности микросхем, несмотря на всевозрастающие доказательства их жизнеспособности. Он не видел эту технологию достаточно адаптивной для развивающихся потребностей систем Белла и постепенно включал новые материалы и методы, когда они становились доступными. Телефонная компания не могла использовать технологию, которая была «слишком взрывной», потому что инженеры в AT&T всегда должны были гарантировать высокую надежность, совместимость с существующими подсистемами и непрерывность обслуживания телефонных абонентов. «Новшество в такой системе подобно трансплантации сердца во время бега на среднюю дистанцию», – заявлял Мортон.

К тревоге Гордона и других его сотрудников Мортон растоптал все усилия Лабораторий Белла по внедрению того, что в полупроводниковой промышленности начали называть БИС. Он даже высмеивал людей, работающих над БИС, окрестив их «крупномасштабными идиотами». Вместо этого он продвигал идею гибридной технологии, включающей микросхемы с меньшей интеграцией, которые изготовлялись бы с более высоким выходом, и тонкопленочные схемы, основанные на металлах типа тантала, в котором резисторы и конденсаторы могли бы быть протравлены точнее, чем в кремнии. Мортон декларировал свой подход как «правильную степень интеграции», или RSI (Right Scale of Integration) – это было еще одно его любимое изречение.

Данное решение оказалось неверным, но Мортон был непреклонен. Таненбаум считает, что его упорство стоило AT&T задержки на два или три года в получении микросхем в Bell System для новых поколений систем электронной коммутации. В результате телефонной компании пришлось приобретать большинство микросхем у других фирм вместо создания их в Western Electric. Закупки компонентов сторонних производителей AT&T удалось избежать лишь в 1968 г. (когда было принято соответствующее решение Федеральной комиссией по связи), так как становилось все труднее управлять эксплуатационными показателями и надежностью систем связи.

Концентрация внимания Bell Labs на дискретных устройствах, почти исключая микросхемы, закончилась в конце 60-х. Инженеры в Мюррей Хилл и Аллентауне снова начали работать на структуре МОП, который в 50-е годы задавал тон, а затем был забыт почти на десятилетие, даже когда компании, подобно RCA, Fairchild и другим, активно развивали технологию микросхем. Поскольку число компонентов на микрокристалле возрастало, простая геометрия и работа полевого транзистора типа МОП сделала его лучшей заменой плоскостного устройства.

Но инженеры Fairchild уже решили большинство проблем надежности технологии МОП в середине 60-х, так что когда компания приступила к производству полупроводниковых блоков памяти, она имела немалые технологические преимущества.

И снова Мортон принимает в 1961 г. ошибочное решение: не развивать устройств на МОП-транзисторах, в частности, потому, что они первоначально показали недостаточную надежность и не работали на высоких частотах. Как отмечал Андерсон, Мортон, который всегда внимательно следил за успехами и неудачами в развитии новейших технологий, был полностью убежден в ненадежности поверхностных устройств, равно как и в том, что приборы на полевых транзисторах будут ограничены низкими частотами. В начале 60-х они действительно не имели большого значения для компании, уже выпускающей системы электронной коммутации, основанные на дискретных устройствах. Но когда Bell Labs и AT&T с опозданием на десятилетие стали использовать полевые МОП-транзисторы, они еще раз проиграли в непрерывной гонке за эффективность.

Ошибочные представления Мортона о микросхемах не помешали ему получать награды и приобретать известность. В 1965 г. он был удостоен престижной медали Дэвида Сарноффа ИИЭРА (David Sarnoff Medal of the IEEE) за «выдающийся вклад в руководство и содействие развитию и пониманию твердотельных электронных приборов». Двумя годами позже его в числе первых избрали в американскую Национальную инженерную академию (U. S. National Academy of Engineering). В 1971 г. Мортон издал замечательную книгу «Организация инноваций» (Organizing for Innovation), в которой описал свой «экологический», системный подход к управлению высокотехнологичным научно-конструкторским предприятием типа Bell Labs. В ней он пространно излагал идеи относительно адаптивной технологии и правильной степени интеграции. Мортон также являлся одним из основных, задающих тон, докладчиков на промышленных конференциях и часто приглашался как консультант, особенно на предприятия японской электроники, находящиеся на стадии становления, и в полупроводниковые компании, где к его слову относились с уважением.

К сожалению, в декабре 1971 г. Мортон трагически погиб. Мир потерял одного из ведущих специалистов в области полупроводниковой технологии, превратившего перспективные научные достижения в чрезвычайно полезные и надежные изделия. Они уже широко использовались к моменту его гибели. Под руководством Мортона как главы технологического направления в Лабораториях Белла было изобретено и доведено до промышленного производства множество высокотехнологичных устройств, которые сегодня имеют широчайшее распространение, включая флэш-память и приборы с зарядовой связью. Но в виде микросхем они были разработаны и выставлены на продажу другими компаниями.

«Джек любил только новые идеи, – говорил Уиллард Бойл (Willard Boyle), один из изобретателей прибора с зарядовой связью. – Это то, что завораживало его, поддерживало его энергию». Такая ориентация, вероятно, была важной составляющей того, что Bell Labs под его руководством первой разрабатывала новейшие полупроводниковые технологии. Но AT&T могла лишь частично реализовать эти интригующие возможности, так как Bell Labs ориентировались главным образом на дискретные устройства, которые Мортон и другие администраторы считали наиболее полезными для решения неотложных задач электронной коммутации. В этом контексте решение не использовать хоть и революционные, но еще недостаточно апробированные технологии, имело важный деловой смысл, по крайней мере, на короткое время.

Таким образом, здесь действовала тирания прибыли. Учитывая теоретически бесконечные возможности развития AT&T, а в реальности ограниченные только тем, что можно производить и продавать, можно понять неизбежность того, что бывшие аутсайдеры в итоге привели эту взрывную новую технологию к массовому производству.

+33
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT