Р12-2
Р12-2 (ТС-233интегральная схема, серийно выпускавшаяся в СССР. Прототип, изобретённый инженером-физиком НИИ-131 Л. И. Реймеровым, был изготовлен на «Светлане» в июне 1960 года . Серийный выпуск Р12-2 был развёрнут на Рижском заводе полупроводниковых приборов[к 1] в 1961—1962 годы и продлился до 1995 года[3]. Быстродействующий вариант схемы, внедрённый в 1963—1965 годы, получил обозначение Р12-5. В ходе стандартизации радиоэлектронной номенклатуры в 1969—1970-е годы Р12-2, Р12-5 и построенные на их базе модули были классифицированы в 102, 103, 116 и 117-ю серии интегральных схем. ) — первая монолитнаяР12-2 изготовлялись по диффузионно-сплавной технологии[англ.] производства германиевых биполярных транзисторов . На германиевом кристалле «твёрдой схемы» размещались два биполярных транзистора и два резистора, выполнявшие совместно логическую функцию 2ИЛИ-НЕ. Одновременно с Р12-2 НИИ-131 разработал серийные модули (гибридные интегральных схемы) семейства «Квант», каждый из которых нёс до четырёх кристаллов Р12-2 . Основным применением модулей «Квант» были вначале авиационные бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) «Гном» пилотажно-навигационного и прицельного комплекса «Купол» , имевшие среднюю, по меркам 1960-х годов, производительность в 100 тысяч операций в секунду и низкое энергопотребление (70 Вт на полноценную 16-разрядную БЦВМ) . В 1970-е годы модули «Квант» в больших количествах применялись в квазиэлектронных АТС завода ВЭФ . Изобретение, разработка, запуск в производствоИсториография вопросаПервый очерк истории создания советских «твёрдых схем» опубликовал в 2009 году Б. М. Малашевич[к 2], опиравшийся на свидетельства Ю. В. Осокина. В этой версии вся разработка была сосредоточена на Рижском заводе полупроводниковых приборов (РЗПП), а все основные технические решения принадлежали Осокину. Ленинградский НИИ-131 предложил рижанам создать многоэлементную схему весной 1962 года, осенью того же года Осокин получил первые работоспособные образцы, а к декабрю 1962 года РЗПП выпустил пять тысяч Р12-2[5]. В 2019 и 2020 годы версию Малашевича оспорили организатор выпуска Р12-2, главный конструктор БЦВМ «Гном» Е. М. Ляхович и разработчик ОЗУ «Гнома» В. Я. Шнырин[к 3]. В их изложении основным автором изобретения был инженер-физик НИИ-131 Л. И. Реймеров, первые опытные образцы «элемента Реймерова» изготовили на «Светлане» летом 1960 года, а Осокин занимался лишь технологией и организацией серийного выпуска на РЗПП. В публикациях 2023 года Малашевич признал ошибочность своих прежних взглядов и публично присоединился к версии Ляховича и Шнырина, которая и стала основной[8]. «Элемент Реймерова»В конце 1950-х годов советские разработчики авиационной радиоэлектроники осознали, что комплексная, взаимосвязанная работа новейших систем возможна только под управлением компьютера (в авиакосмической терминологии — бортовой цифровой вычислительной машины, БЦВМ)[9]. Институты и КБ Минавиапрома и Минрадиопрома начали параллельную разработку конкурирующих проектов БЦВМ[10]. Единственная принятая в серию БЦВМ этого поколения, транзисторная «Пламя-263»[10], оказалась практически непригодной для авиации из-за чрезмерного веса и энергопотребления[11]. Разработчиков первых БЦВМ привлекала простота и функциональная полнота универсального логического элемента — двухтранзисторной ячейки 2ИЛИ-Е («стрелки Пирса»)[12]. Используя такой элемент, надёжно работающий в ключевом режиме, можно было создавать компактные, экономичные логические схемы любой сложности с предельно возможной унификацией[12]. Работы в этом направлении, которые вели ленинградские и рижские предприятия под руководством НИИ-131, и привели к созданию монолитного «универсального элемента», известного под именами Р12-2, Р12-5 и ТС-233. Понятия интегральной схемы тогда ещё не существовало, и новые элементы назывались «твёрдыми схемами», ТС[13]. НИИ-131 начал прорабатывать перспективные «твёрдые схемы» в 1960 году[14]. В мае 1960 года[к 4] Л. И. Реймеров предложил использовать в «стрелке Пирса» монолитные двухтранзисторные структуры[16]. Диффузионно-сплавная технология на «Светлане», где проходил практику Реймеров, позволяла создавать транзисторные «двойки» с общим коллектором, но не высокоомные сопротивления[16]. Реймеров предложил способ создания на том же кристалле слоистых диффузионных сопротивлений величиной 200—300 Ом; такой кристалл мог выполнять функцию «стрелки Пирса» без единого навесного элемента[16]. В июне 1960 года однокурсник Реймерова по ЛЭТИ, инженер-технолог «Светланы» О. В. Веденеев[к 5] тайно, по знакомству изготовил опытную партию в несколько сотен ячеек[20]. В октябре 1960 года ленинградцы успешно продемонстрировали работающий макет счётчика на «ячейках Реймерова» московскому начальству[11]. В то время руководство отрасли ещё не делало ставок на кремниевые планарные технологии и прямое копирование американских разработок, и проект был одобрен[21]. В начале 1961 года в стенах НИИ-131 заработал собственный участок опытного производства — но оно по-прежнему зависел от доброй воли смежников со «Светланы»[22], а реорганизация отрасли 1962 года сделала производство внутри НИИ и вовсе невозможным[23]. Опытное производствоВесной 1961 года НИИ-131 разместил в Риге заказ на опытную партию «ячеек Реймерова». По случайному совпадению почтовый ящик завода и абонентский ящик НИИ имели один и тот же номер, 233 — так рижская «твёрдая схема» получила обозначение ТС-233[24]. Ленинградцы поставили в Ригу стенды для полуавтоматического контроля продукции, само же производство оставалось полностью ручным. Работницы вручную, под микроскопом, распаивали выводы кристаллов, а для переноса на кристаллы крохотных кусочков фольги, образовывавших при плавлении эмиттеры транзисторов, использовали шипы акации[25]. Вторую партию в 15 тысяч штук, предназначенную для опытной БЦВМ «Гном», завод согласился выпустить в 1962 году[26]; тогда же было формально зарегистрировано обозначение Р12-2[27]. Именно на этом этапе, по свидетельству Ляховича, в истории Р12-2 появился технолог Осокин. Он взялся заменить слоистый диффузионный резистор «элемента Реймерова» на объёмный, что должно было повысить предельно допустимую рабочую температуру[28]. Схема Осокина, имевшая в плане характерную форму лопаты или гитары, действительно уверенно работала при температурах до +70°С, но переключалась намного медленнее первоначальной схемы Реймерова[29]. К концу 1962 года именно осокинский вариант стал основным, сохранив название Р12-2[29]. В 1963 году Реймеров предложил усовершенствованную конструкцию с восьмикратным выигрышем в быстродействии[30]. Осокин отказался включить её в производственный план, и лишь после долгих уговоров и переговоров согласился на параллельный выпуск двух вариантов — первого, медленного под маркировкой Р12-2 и нового, быстрого Р12-5[31]. Позже, в ходе унификации номенклатуры советских электронных компонентов, Р12-2 переименовали в 102-ю серию интегральных схем[32], а Р12-5 — в 103-ю серию[33]. Выпуск заведомо худшей, но уже отлаженной Р12-2 страховал проект от непредвиденных осложнений при освоении Р12-5[21]. К 1963 году руководители отрасли осознали бесперспективность германия и открыто советовали рижанам «гнать в шею этих ленинградцев с завода»[34]; ленинградцы и рижане опасались, что программа может быть закрыта в приказном порядке и не могли рисковать[21]. Осокин, несмотря на давление Москвы и заводского начальства, всегда поддерживал производство германиевых схем — даже тогда, когда интересы завода требовали перевода работниц на выпуск более выгодной продукции[34]. Осокин, по мнению Ляховича, был ответственным, но неразборчивым в средствах исполнителем[34]. В своих публикациях и патентных заявках он необоснованно присвоил результаты чужих работ[35], а в XXI веке ввёл в заблуждение Малашевича[36]. Конструкция и технологииР12-2Конструкторы и технологи, создававшие Р12-2, не располагали информацией об уже испытанной в США планарной технологии — они использовали диффузионно-сплавной процесс производства германиевых транзисторов П401—П403[13], разработанный в московском НИИ-35 М. М. Самохваловым и внедрённый на РЗПП в начале 1960 года[5]. В начале процесса на верхней поверхность пластины p-типа проводилась сплошная диффузия сурьмы, формировавшая базовый слой n-типа толщиной 7 мкм[13]. В ходе первой фотолитографии создавалась маска под эмитттер, через которую осаждали и вплавляли эмиттерный сплав PbInSb[13]. Вторая фотолитография формировала на поверхности две мезы двух транзисторов[13]. Излишки германия вокруг мез стравливались, изолируя две базы друг от друга[13]. Третья диффузия создавала маску, задававшая форму конечного изделия в виде «гитары» или «лопаты», «черенок» которой служил коллекторным резистором, а «острие штыка» — выходным балластным резистором[38]. После глубокого травления пластина шлифовалась с оборотной стороны до толщины 100 мкм и при этом распадалась на отдельные «лопаты»[38] размером 1,4 мм в длину и 0,6 мм в ширину[13]. Выводы выполнялись золотой проволокой диаметром 50 мкм. При необходимости «лопаты» корпусировались в металлические «таблетки» диаметром 3 мм и толщиной 0.8 мм и герметизировались заливкой компаундом[38]. Практика показала, что заливка создавала в проволочных выводах чрезмерные напряжения и приводила к обрывам выводов[39]. Р12-5Усовершенствованная Р12-5 была четырёхслойной и имела простую прямоугольную форму[33]. Исходные пластины имели проводимость n-типа; коллекторный слой p-типа формировался диффузией цинка при 900 °C[33]. Базы и эмиттеры формировались так же, как и в Р12-2, а разделение пластины на кристаллы выполнялось скрайбированием[33]. Из-за сложности проведения диффузии цинка выход годных Р12-5 был низким, а себестоимость высокой. Р12-5 выпускалась относительно немногочисленными партиями и не смогла вытеснить Р12-2[33]. Модули «Квант»Миниатюрные Р12-2 с тонкими золотыми выводами плохо подходили для непосредственного монтажа на радиозаводах[40]. Уже в 1960 году, в ходе проектирования перспективной БЦВМ, специалисты НИИ-131 начали прорабатывать следующие уровни интеграции[41]. Разработка шла сверху вниз — вначале появился конструктив группового модуля (МГ) второго уровня — печатной платы на 90 микромодулей, а в начале 1961 года лаборатория А. Н. Пилипенко спроектировала конструктив серийного «твердосхемного модуля»[42] на четыре кристалла Р12-2, получившие обозначение «Квант»[41]. Основой модуля «Квант» служила текстолитовая печатная микроплата, на которую запрессовывались до 14 жёстких выводов с шагом 2.5 мм[32]. Собранная плата помещалась в металлический корпус размером 21,6×6,6×3,1 мм и герметизировалась заливкой эпоксидным компаундом[32]. «Квант» фактически представлял собой первую в мире гибридную интегральную схему двухуровневой интеграции[32]. В набор первой серии входило семь различных модулей, а для БЦВМ с резервированием «Гном-А» дополнительно ввели восьмой тип[43][32]. Коммутация и назначение выводов модулей были продуманы так, чтобы гарантировать трассировку сложных двусторонних печатных плат без использования навесных перемычек[44]. Расчётная плотность монтажа — до десяти логических элементов на 1 см3[45]. В 1961—1965 году модули «Квант» собирались силами НИИ-131 и комплектовались бескорпусными Р12-2[41]. Перенос сборки модулей сначала в Гатчину (1966—1967), а затем в Жигулёвск (1968—1971)[41] потребовал приспособить конструкцию Р12-2 к транспортировке — так появились серийные Р12-2, корпусированные в металлические «таблетки»[46]. В 1971 году сборку модулей поручили рижскому заводу, необходимость промежуточного корпусирования отпала, и конструкция вернулась к первоначальному варианту 1961 года, получившему новое обозначение «Квант-М»[47]. Модули на основе Р12-2 образовали 116-ю серию интегральных схем[32], модули на основе Р12-5 — 117-ю серию[33]. Разработанные для военных задач модули не были засекречены: в 1965 году было открыто опубликовано научное описание «элемента Реймерова»[17], в 1966—1967 годы НИИ-131 выпускал рекламные проспекты с техническими описаниями серии[42]. Согласно этим проспектам, фактическая стоимость одного модуля в 1966 году составила 16 рублей, плановая на 1967 год — 10 рублей[42]. ХарактеристикиСредняя задержка распространения сигнала через Р12-2 составляла 200 нс, максимальная — 300 нс[38], что позволяло строить 16-разрядные БЦВМ с производительностью 100 тысяч операций в секунду[48]. В 1960-е годы такая скорость считалась средней[48]. Модули на Р12-5 переключались в 3-4 раза быстрее[38]. Особенностью германиевой логики было непривычно низкое напряжение питания в −1,2 В и соответственно небольшой размах между уровнями логического нуля (−0,12 В)[49] и единицы (−1.2 В без подключения нагрузки[49] и всего −0.3 В под нагрузкой[50])[38]. Это уменьшало среднее потребление энергии до 3,6 мВт на вентиль[38], а полный комплект БЦВМ «Гном 1-66» потреблял всего 70 Вт[51]. Если ранние образцы БЦВМ на предсерийных Р12-2 требовали охлаждения погружением плат в жидкий фреон, кипящий при +24 °C, то в серийных изделиях температурный режим поддерживала компактная закрытая система испарительного охлаждения на тепловых трубках[52][53]. Корпус «Гнома» при этом был полностью герметичным; тепло сбрасывалось на оребрённый радиатор, расположенный вне корпуса[50]. С другой стороны, малый размах между уровнями нуля и единицы ухудшал помехоустойчивость и ужесточал требования к качеству электропитания. Благодаря термостатированию модулей БЦВМ допустимый разброс напряжения питания мог доходить до ±15 %[54]; самой же трудной практической проблемой оказалась устойчивость схем к кратковременным просадкам напряжения при включении мощных бортовых потребителей энергии[55]. В 1963—1966 годы НИИ-131 испытал модули на Р12-2 на радиационную стойкость на Семипалатинском полигоне[48]. Германий оказался устойчивее кремния[48]. Результаты этих испытаний, по свидетельству Ляховича, востребованы не были[48]. ПрименениеПотребителями модулей «Квант» в 1960-е годы были сам НИИ-131 и его заводы-смежники, собиравшие серийные авиационные БЦВМ семейства «Гном»[57]. К 1964 году промышленность США, за которой пристально следили советские военные заказчики, уже освоила кремниевые интегральные схемы — но накопленный задел по «Кванту» был столь велик, что даже убеждённый сторонник перехода на кремний А. И. Шокин не решился свернуть германиевый проект[50]. Ляхович также понимал, что время германия проходит, и ему нужно было немедленно найти заказчика, имеющего надёжные связи с военными и обязанного сдать опытный образец на испытания не позже 1966 года[58]. Таким внутренним заказчиком стал В. Л. Коблов — главный конструктор пилотажно-навигационного и прицельного комплекса строившегося военно-транспортного самолёта Ан-22[59][50]. БЦВМ Ляховича под кодовым обозначением «Гном» стала ядром «Купола». Благодаря тому, что задачи создания элементной базы, проектирования ЭВМ и её программирования велись параллельно, на реализацию проекта — от первых опытов 1960 года до лётных испытаний — ушло всего шесть лет[60]. Первый, стационарный образец действующего «Гнома 1-66» был представлен в конце 1965 года[50], в 1966 году состоялись лётные испытания на борту переоборудованного Ан-26, в 1968 году начался серийный выпуск БЦВМ на заводе в Жигулёвске[55]. Один бортовой комплект «Гном 1-66» требовал около 15 тысяч «элементов Реймерова» (4640 модулей[61]), один «Гном-А» — 35 тысяч[50]. Мнение о том, что Р12-2 или «кванты» также применялись в разработках КБ-1[62], по утверждению Ляховича, несостоятельно. КБ-1 не разрабатывало аппаратуры на германиевых «твёрдых схемах», его руководство считало германий бесперспективным[63]. Вторым после НИИ-131 реальным заказчиком был рижский завод ВЭФ. В начале разработки Р12-2 главный инженер РЗПП Л. Я. Мисуловин предложил руководству ВЭФ использовать перспективные схемы в квазиэлектронных АТС[47]. Мисуловин перешёл работать на ВЭФ, и в 1968 году запустил в серию первую в СССР квазиэлектронную АТС — так в 1970-е годы именно ВЭФ стал основным потребителем «Квантов»[47]. Если в 1960-е годы, по свидетельству Осокина, производство модулей исчислялось сотнями тысяч в год, то в 1970-е годы счёт шёл на миллионы[64]. В 1985 году РЗПП выпустил 1.2 млн модулей 116 и 117-й серий[64]. Воодушевлённые успехом рижане продолжали делать ставки на германий[65]. В Риге построили новый завод, рассчитанный на установку пятнадцати автоматизированных линий для производства Р12-2 и Р12-5[65]. Одну такую линию, спроектированную конструкторами РЗПП, удалось довести до опытной эксплуатации, но было уже поздно: кремний бесповоротно вытеснил германий[65]. Новейшее оборудование ушло в металлолом[65], а производство Р12-2, Р12-5 и модулей «Квант» продолжилось по-старому, вручную, «на столах» до 1995 года[47]. Необычно долгий срок выпуска давно устаревших германиевых модулей был обусловлен длительными сроками производства и службы носителей БЦВМ — самолётов Ан-22 и Ил-76[55]. В октябре 1989 года, когда изношенные автоматические системы контроля и отбраковки германиевых схем пришли в негодность, избранный на должность гендиректора ПО «Альфа» Осокин призвал военно-промышленную комиссию СССР отменить госзаказ на 102, 103, 116 и 117-ю серии и получил решительный отказ[66][64]. Коблов, занимавший пост заместителя председателя ВПК, потребовал любыми средствами продолжить выпуск «Квантов» до завершения программы производства Ил-76, расписанной до 1995 года[66]. «Купол» устраивал авиаторов, и его замена или модернизация не планировались[66]. Коблов выдели на модернизацию производства полмиллиона рублей[66], а Осокин сумел продолжить бесперебойную поставку модулей[67]. Комментарии
Примечания
Литература
|
Portal di Ensiklopedia Dunia