`

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

 

Микросхема, которую построил Джек

Статья опубликована в №36 (653) от 23 сентября

+66
голосов

Жарким летом 1958 г. в рабочем лабораторном журнале Джека Килби, молодого сотрудника Texas Instruments, появилась историческая запись, которая открыла новую эпоху в электронике. Много лет спустя в своей Нобелевской лекции он говорил: «24 июля 1958 г. я сформулировал "идею монолита" (the Monolithic Idea), как ее в дальнейшем стали называть. В этой записи утверждалось, что элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы, распределенные конденсаторы и транзисторы, могут быть интегрированы в одну микросхему при условии, что они будут сделаны из одного материала. Успехи интегральной электроники последующих сорока лет значительно превзошли все, что было достигнуто ранее, на протяжении 400 лет, прошедших после того, как Вильям Гильберт впервые употребил слово "электричество"».

У меня было ощущение, что транзистор
указывает путь в будущее, и я хотел в этом участвовать.

Дж. С. Килби (Нобелевская лекция,
Стокгольм, 8 декабря 2000 г.)

Микросхема, которую построил Джек
Джек С. Килби

Джек Килби родился в 1923 г. в городке Грейт-Бенд (штат Канзас), получившем свое название потому, что был построен в середине штата – там, где река Арканзас делает крутой поворот. Его отец был управляющим небольшой электростанции, клиенты которой жили в малонаселенной сельской западной части штата Канзас. Однажды сильная зимняя буря повалила много столбов, несущих телефонные провода и линии электропередачи, и отец, воспользовавшись радиолюбительской связью, установил контакт с районами, оставшимися без телефона и электричества. В то время еще школьник, Джек Килби был поражен тем, какой замечательной вещью является радиосвязь. Этот случай пробудил его интерес к электронике, и тогда же он осознал, что это именно та область деятельности, которой ему хотелось бы заниматься.

После средней школы Килби изучал электротехнику в Иллинойском университете, посещал также лекции по электровакуумным приборам и радиофизике.

Университет он закончил в 1947 г. — за год до того, как компания Bell Labs объявила об изобретении транзистора. Следуя своим интересам, сформировавшимся еще в Грейт-Бенд, поступил на предприятие в Милуоки (штат Висконсин), изготовляющее детали для радиоприемников, телевизоров и слуховых аппаратов. В Висконсинском университете получил степень магистра по специальности «электротехника».

В 1958 г. Килби переехал в Даллас (штат Техас) и устроился в корпорацию Texas Instruments, где ему поручили работу по миниатюризации электронных устройств. Здесь он и сделал свое гениальное изобретение.

«В начале 1950-х годов, – отмечал Килби в Нобелевской лекции, – англичанин Джефф Даммер (Geoff Dummer) из Royal Radar Establishment выдвинул идею, что всю электронику можно собрать в виде единого блока. При этом говорилось об использовании слоев, работающих в качестве усилителя, сопротивления и т. п. Электрические соединения можно было бы тогда реализовать простым вырезанием площадок в различных слоях. Предложение было замечательное, однако Даммер не указал способа, как все это сделать.

В 1956 г. Даммер подписал небольшой контракт с некой британской фирмой на создание подобного устройства, но у них ничего не получилось – в частности, потому, что они работали с технологией транзисторов на p-n-переходе и затем пытались связать различные слои.

Хотя Даммер потерпел неудачу, он был на правильном пути. Объемное сопротивление самого полупроводника и емкость p-n-перехода внутри него можно было скомбинировать с транзисторами и создать завершенную схему из одного и того же материала. Моя заслуга в том, что я взял эту идею и превратил ее в реальность».

Первая работающая микросхема (рис. 1) представляла собой генератор с фазовым сдвигом – популярный в то время объект для демонстрации функционирования линейных схем.

Микросхема, которую построил Джек
Рис.1. Первая микросхема и ее описание в рабочем журнале Дж. Килби

Вот как Дж. Килби описал процесс создания первой микросхемы: «Техники Пат Харбрехт (Pat Harbrecht) и Том Ярган (Том Yeargan) разрезали пластины на бруски размером приблизительно 0,12×0,4". Соединение с объемными резисторами обеспечивалось металлическими контактами, припаянными к задней стороне брусков. Парафин наносился вручную, чтобы закрыть мезаструктуры: одну для транзистора и другую, бoóльшую, – для области с диффузионным распределением примесей, образующей распределенную резистивно-емкостную цепочку.

12 сентября 1958 г. завершилось изготовление первых трех генераторов этого типа. Когда было приложено напряжение, в первом из контуров возникла генерация на частоте 1,3 МГц.

Я быстро набросал конструкцию триггерной схемы, все элементы которой должны были выполняться из кремния. Резисторы использовали объемное сопротивление кремния, а конденсаторами служили емкости р-n-переходов.

Аналогичным способом был изготовлен триггер. Его испытания прошли 19 сентября».

В октябре команда Килби приступила к разработке новой, германиевой интегральной триггерной схемы. «Это была первая схема, – вспоминает Килби, – создаваемая "с нуля", полностью в одном куске полупроводника. Были использованы объемные резисторы, конденсаторы на р-n-переходах и мезатранзисторы. Изготовление первых работающих образцов завершилось в начале 1959 г., и уже в марте они были представлены на публичной презентации идеологии "монолитных твердотельных схем".

Сейчас в это трудно поверить, но в 1959 г., когда мы начали пропагандировать свои достижения, а компания Fairchild рекламировала нововведения Нойса, эти идеи весьма активно критиковались.

Имелось три главных возражения. Например, считалось, что практический выход пригодных изделий будет столь низким, что новая технология никогда не принесет выгоды (надо помнить, что в то время должным образом работали менее 10% всех изготовляемых транзисторов). Другая группа утверждала, что мы используем неподходящие материалы, поскольку лучшие резисторы и конденсаторы делались тогда отнюдь не из полупроводников. Кроме того, истинные "транзисторщики" не хотели видеть на микросхеме свои элегантные устройства вперемешку с остальной "дребеденью". Эти сомнения было трудно оспоривать, так как по сути своей они являлись обоснованными. Наконец, многие сотрудники больших компаний полагали, что если полупроводниковая технология окажется успешной, то проектировщики схем во всем мире останутся без дела. В действительности, конечно, занятость проектировщиков с течением времени только возрастала, но их работа стала совсем другой, чем в эпоху транзисторов».

Даже такой гигант транзисторных технологий, как Джек Мортон (Jack Morton) – вице-президент отдела электронной техники в Bell Labs (в Мюррэй Хилл, Нью-Джерси), под руководством которого сотрудникам лаборатории удалось превратить транзистор из многообещающего опытного образца в надежный товарный продукт, – был активным противником разработки и внедрения микросхем («Bell Labs: упущенная возможность, или Роль личности в технологии»).

Он недооценил потенциал микрокристаллов и БИС (больших интегральных схем) и был убежден в «тирании больших чисел», полагая, что с ростом количества транзисторов на кристалле процент выхода годных интегральных микросхем станет неприемлемо низким. По его мнению, даже при том, что каждый отдельный компонент (чаще всего транзистор) мог бы производиться с выходом 99%, это число следует умножить на количество компонентов в интегральной схеме, что должно привести к неприемлемо низкому выходу работающих микросхем. «Это эффект множества яиц: чем больше вы их накладываете в корзину чипа, тем вероятнее, что он будет плохой». И надежность страдала бы также, думал Мортон. А поскольку он занимал высокий пост (в 1958 г. стал вице-президентом компании), то в начале 1960-х его мнение определяло направление исследований в Bell Labs.

Однако военные программы этого периода – подготовка полета космического корабля «Аполлон» на Луну и создание ракеты «Минитмен» — значительно ускорили разработки микросхем. С 1964 г. интегральные схемы стали использовать и в коммерческих изделиях. Килби и возглавляемая им группа создали также на основе этой технологии первую в мире военную систему и первый компьютер.

Если простейшие чипы состояли из десятка элементов, то к 1970 г. микросхемы включали до 10 тыс. элементов, а после 50 лет развития, сегодня – свыше десяти миллиардов.

Этот прогресс сопровождался также быстрым удешевлением электронных устройств: если в 1958 г. один транзистор стоил около $10, то сегодня приблизительно за ту же цену можно купить микросхему с более чем ста миллионами транзисторов.

Микросхема, которую построил Джек
Рис. 2. Закон Мура – экспоненциальное увеличение со временем числа транзисторов на одном кристалле

На экспоненциальный характер развития микроэлектроники (рис. 2) обратил внимание Гордон Мур. В 1965 г. он, тогда директор отдела исследований и развития в фирме Fairchild Semiconductor, а затем один из основателей Intel, написал для журнала Electronics статью «Втискивая еще больше компонентов в интегральные схемы». В статье Мур отметил, что количество транзисторов на чипе при минимальной их стоимости за год возрастает примерно вдвое. Это наблюдение стало известно как закон Мура. Позже закон был исправлен: число компонентов на ИС удваивается каждые 18–24 месяца.

В 1975 г. была опубликована вторая статья Мура – «Прогресс в цифровой интегральной электронике», рассматривающая достижения прошедших десяти лет. Теперь он анализировал уже вышедшие на рынок ИС. Оказалось, что число транзисторов в них действительно примерно удваивалось каждый год! Многие исследователи проверяли закон Мура и пришли к выводу, что период удвоения различен для разных параметров. Так, для микропроцессоров без учета кэш-памяти он составляет примерно 2 года и 3 месяца, а с учетом – 2 года. Плотность транзисторов на кристалле и производительность микропроцессоров возрастает вдвое каждые 20 месяцев, а тактовая частота – за 2 года и 1 месяц. Прогнозы аналитиков предусматривают качественное изменение электронных компонентов в силу достижения естественных физических пределов стандартными технологиями уже в обозримом будущем (рис. 3).

Микросхема, которую построил Джек
Рис. 3. История и прогноз развития компонентов микроэлектроники Semiconductor Industry Association (SIA)

Например, сегодня для включения/выключения транзистора нужно приблизительно 1000 электронов. Ожидается, что к 2010 г. на эту же операцию их потребуется всего сто. Если этого и не произойдет, то просто в результате дальнейшей миниатюризации можно предсказать уменьшение количества необходимых электронов на транзистор до десяти к 2010 г. и до одного – к 2020 г. Это значение и будет естественным физическим пределом.

Ряд подходов для преодоления подобных ограничений предполагает использование, среди прочего, квантовых компьютеров и молекулярных переключателей. Многие считают, что с достижением этих нанометровых масштабов химически созданные структуры заменят нынешние рисованные и вытравленные.

Специалисты в области технологии единогласно причисляют Джека Килби к когорте великих новаторов-изобретателей. За свою жизнь он получил две самые престижные награды США: в 1970 г. – Национальную научную медаль и в 1982 г. был занесен в списки американского Национального зала славы исследователей, наряду с Фордом, Эдисоном и братьями Райт, а также был удостоен Нобелевской премии в 2000 г.

Высоко отзывался о работах Джека Килби вице-президент фирмы Texas Instruments Фил Риттер: «Мы – не только наша компания, но и все общество – в неоплатном долгу перед ним и его изобретениями. Мы с благодарностью вспоминаем всю его жизнь».

Изобретением монолитной интегральной схемы – микрочипа – Килби заложил концептуальный и технический фундамент для широчайшей области современной микроэлектроники. От его первой простой схемы, которую он создал, работая в ТІ в 1958 г., начал развиваться мировой рынок интегральных схем, объем продаж которого в 2006 г. достиг 210 млрд долл., а вместе с конечным оборудованием – 1402 млрд.

Джек Килби умер в 2005 г. Благодарные потомки планируют установить в городе Грейт-Бенд, где он родился, на площади, уже носящей его имя, монумент «Дар», проект которого разработал местный скульптор Чет Кейл (Chet Cаle) (рис. 4).

Микросхема, которую построил Джек
Рис. 4. Проект монумента «Дар» Джеку Килби – уроженцу и почетному гражданину города Грейт-Бенд (штат Канзас), чье изобретение изменило мир

Проект включает три бронзовые фигуры, выполненные в масштабе 1,25 к реальным размерам. Фигура Килби высотой приблизительно 2,44 м будет стоять на цилиндрическом каменном основании. В руке он держит микрочип, который дарит мальчику. Справа от Килби маленькая девочка нетерпеливо протягивает руку к своему старшему компаньону, а другой указывает в направлении звезд. Идея скульптуры – передача знания одним поколением следующему, что и символизирует микрочип в руке Килби.

Проектная стоимость монумента – около 400 тыс. долл. Общественность активно включилась в сбор средств, а недавно один из спонсоров, пожелавший остаться неизвестным, перевел на счет комитета по созданию памятника 150 тыс. долл.

+66
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

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