Изобретение интегральной схемыИдею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника впервые предложил в 1952 году британский радиотехник Джеффри Даммер[англ.]. Год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС) . Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий . В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности произошёл прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем . Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции , создал первые несовершенные прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска . Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника . Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни[англ.] . 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта[англ.] создала в компании «Fairchild Semiconductor» первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий . Не существует единого мнения о том, кто именно является изобретателем ИС. Американская пресса 1960-х годов признавала изобретателями ИС четырёх человек: Килби, Леговца, Нойса и Эрни. В 1970-е годы список изобретателей сократился до двух имён: Килби и Нойс, а в популярной литературе — до одного Килби . Именно Килби был удостоен в 2000 году Нобелевской премии по физике «за личный вклад в изобретение интегральной схемы»[1]. В XXI веке историки отрасли Лесли Берлин[англ.][прим. 1], Бо Лоек[прим. 2], Арджун Саксена[прим. 3] вернулись к точке зрения, что круг изобретателей ИС был существенно шире, и подвергли ревизии значение вклада Килби . ПредпосылкиОжидание прорываВо время Второй мировой войны и в первые послевоенные годы в электронике появились признаки явления, которое в США назвали «тиранией чисел» (англ. The tyranny of numbers): отдельные образцы бортовой и вычислительной техники достигли потолка сложности, за которым потери от отказов и простоев превосходили любые ожидаемые выгоды[2]. Каждый Boeing B-29 (поставлен на вооружение в 1944 году) возил на себе, по разным источникам, от трёхсот до почти тысячи электронных ламп и десятки тысяч пассивных компонентов[прим. 4]. В стационарных компьютерах счёт ламп шёл на тысячи, в компьютере ENIAC (1946 год) их было более семнадцати тысяч[прим. 5]. Каждый дополнительный резистор, каждая дополнительная пайка ухудшали надёжность и удлиняли время поиска неисправностей[2]. Традиционная электроника оказалась в тупике: дальнейшее усложнение электронных устройств требовало сокращения числа их компонентов. Обнародованное летом 1948 года изобретение транзистора породило в обществе развитых стран ожидание новой технической революции[3]. Фантасты и журналисты предвещали скорое появление «разумных машин» и массовую роботизацию всех сторон жизни — от кухонной плиты до межпланетных полётов[3]. Результаты реальной транзисторизации оказались намного скромнее. Замена электронных ламп на полупроводниковые приборы позволила уменьшить размеры и энергопотребление электронных устройств, но не могла решить проблему надёжности сложных систем. Миниатюризация отчасти усугубила её: плотная упаковка компонентов на платах, необходимая для достижения приемлемого быстродействия, затрудняла поиск неисправностей и ухудшала ремонтопригодность[2]. Надёжность дискретных компонентов в 1950-е годы довели до теоретического предела, но надёжность соединений между компонентами принципиально не изменилась[4]. Сложнейшие системы начала 1960-х годов содержали до 200 тысяч дискретных компонентов[4] — не намного больше, чем ламповый ENIAC[прим. 5]. Идея интеграции7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер[англ.] выступил в Вашингтоне с публичной речью, в которой сформулировал идею интеграции:
Даммер, впоследствии ставший знаменитым как «пророк интегральных схем» (но не их изобретатель!), безуспешно пытался найти финансирование на родине. Только в 1956 году он смог изготовить прототип собственной ИС методом выращивания из расплава; опыт оказался неудачным[6]. В 1957 году министерство обороны Великобритании окончательно признало его работы бесперспективными. Чиновники мотивировали отказ высокой себестоимостью и худшими, чем у дискретных приборов, параметрами ещё не созданных ИС[7]. Развитие электронных технологий сосредоточилось в США. В октябре 1952 года Бернард Оливер подал патентную заявку на способ изготовления составного транзистора (структуры из трёх электрически связанных плоскостных транзисторов) на общем кристалле полупроводника[8][9]. В мае 1953 года Харвик Джонсон подал патентную заявку на способ формирования в кристалле проводника различных электронных компонентов — транзисторов, сопротивлений, сосредоточенных и распределённых емкостей[10]. Джонсон описал три возможных способа производства интегрального однотранзисторного генератора колебаний[10]. Во всех вариантах схема представляла собой узкую планку полупроводника, на одном конце которой формировался сплавной биполярный транзистор[прим. 6]. Тело планки выполняло функцию цепочки электрически связанных сопротивлений[10]. Сосредоточенные ёмкости формировались сплавлением, а распределённые — в виде протяжённых обратно-смещённых p-n-переходов[10]. Неизвестно, сумел ли Джонсон реализовать своё предложение на практике, но спустя шесть лет один из вариантов схемы Джонсона был реализован и запатентован Джеком Килби[8]. Функциональная электроникаКрупные американские корпорации (Bell Labs, IBM, RCA, General Electric) искали решение проблемы «больших чисел» в проверенной временем функциональной электронике — разработке дискретных компонентов (функциональных приборов) c уникальными физическими свойствами, реализующих заданную функцию при минимальном количестве компонентов обвеса[11]. В ламповую эру этот подход позволял эффективно сократить количество компонентов схемы ценой её быстродействия. Например, ячейка памяти на типовых компонентах 1940-х годов состояла из двух вакуумных триодов и около десятка пассивных компонентов, и работала на тактовых частотах до 200 кГц[прим. 7]. Ячейку на триодах мог заменить единственный активный компонент — маломощный тиратрон — с нагрузочным резистором и входной ёмкостью, однако рабочая частота такой ячейки не превышала нескольких кГц[прим. 8]. Кольцевой декадный счётчик можно было построить на десяти последовательно соединённых тиратронах[прим. 8], а можно было использовать единственную газонаполненную лампу-счётчик — декатрон (скорость счёта порядка десятков кГц[прим. 9]). Запоминающие электронно-лучевые трубки и ртутные линии задержки позволяли хранить тысячи единиц информации[12]. В 1952 году Джуэл Эберс разработал на Bell Labs опытный твердотельный аналог тиратрона — «четырёхслойный транзистор», или тиристор[13]. Уильям Шокли упростил конструкцию тиристора до двухвыводного «четырёхслойного диода» (динистора) и сосредоточился на доводке динистора до промышленного производства[14]. Шокли рассчитывал, что новый прибор сможет заменить поляризованные реле телефонных станций[15], однако начатая в 1956 году работа затянулась до 1960 года[16], надёжность «диодов Шокли» оказалась неприемлемо низкой, а предприятие Шокли пришло в упадок[прим. 10]. Телефонные сети США и всего мира предпочли модернизацию на базе известных с 1936 года герконовых реле[15][17]. Одновременно с Шокли над тиристорной темой работали инженеры Bell Labs, IBM и RCA. Иен Росс[англ.] и Дэвид Д’Азаро (Bell Labs) экспериментировали с ячейками памяти («шаговыми ячейками») на тиристорах[18]. Джо Лог и Рик Дилл (IBM) строили счётчики на однопереходных транзисторах[19]. Торкл Уолмарк и Харвик Джонсон (RCA) работали и с тиристорами, и с полевыми транзисторами[20]. Работы 1955—1958 годов с германиевыми тиристорными структурами не принесли результата. В марте 1958 года RCA преждевременно анонсировала десятибитный регистр сдвига Уолмарка как «новую концепцию в электронной технологии», но реальные схемы на германиевых тиристорах были неработоспособны[20]. Лишь летом 1959 года, после оглашения изобретений Килби, Леговца и Эрни, Д’Азаро представил работоспособный кремниевый регистр сдвига на тиристорах. Один кристалл схемы д’Азаро (четыре тиристора) заменял схему из восьми транзисторов, 26 диодов и 27 резисторов. Площадь каждого тиристора составляла от 0,2 до 0,4 мм2 при толщине около 0,1 мм, элементы схемы изолировались травлением глубоких канавок[18][21]. С точки зрения сторонников функциональной электроники, в полупроводниковую эру их подход был особенно выгоден, так как позволял обходить фундаментальные, ещё не решённые проблемы технологии полупроводников[18]. Неудачи Шокли, Росса и Уолмарка доказали ошибочность этого подхода: серийный выпуск функциональных приборов мог начаться только после устранения технологических препятствий[19]. Кремниевые технологииТранзисторы ранних серий строились исключительно из германия. Относительно низкая температура плавления и относительно низкая химическая активность делали германий удобным, технологичным материалом. Неустранимым недостатком германиевых транзисторов был узкий диапазон рабочих температур, поэтому уже в середине 1950-х годов инженеры вернулись к «неудобному», но высокотемпературному, кремнию. Летом 1954 года Гордон Тил[англ.] вырастил на Texas Instruments (TI) первую кремниевую транзисторную структуру, а в 1955 году кремниевые транзисторы пошли в серию[22]. Тогда же, в 1954 году, Фуллер[англ.] и Дитценбергер опубликовали результаты фундаментального исследования процесса диффузии в кремнии, а Шокли предложил использовать диффузию по Фуллеру для формирования p-n-переходов с заданным профилем концентрации примесей[23]. В начале 1955 года Карл Фрош[англ.] из Bell Labs открыл явление мокрого окисления кремния, а в следующие два года Фрош, Молл[англ.], Фуллер и Холоньяк довели его до внедрения в серийное производство[24][25]. Открытие, состоявшееся благодаря случайной вспышке водорода в диффузионной печи, выявило второе фундаментальное преимущество кремния над германием[24]. В отличие от оксидов германия, «мокрый» диоксид кремния является физически прочным и химически инертным электрическим изолятором (Роберт Нойс назвал мокрый оксид «одним из лучших изоляторов, известных человеку»[26]). В 1957 году Фрош предложил использовать оксидный слой как литографскую маску при селективном легировании кремния тяжёлыми легирующими элементами, но пришёл к ошибочному выводу о том, что оксид не препятствует диффузии фосфора. В 1959 году Аттала описал явление пассивации p-n-переходов оксидным слоем. Оксид, выращенный над переходом, надёжно защищает его от внешних воздействий (пассивирует) — как при производстве, так и в эксплуатации. Соединений германия с подобными свойствами просто не существует. 1 декабря 1957 года Жан Эрни[англ.] впервые предложил планарную технологию производства биполярных транзисторов. В планарном процессе Эрни все p-n-переходы транзистора выходили на верхнюю поверхность кристалла под защитным слоем оксида, что должно было существенно повысить надёжность. Однако в 1957 году предложение Эрни считалось технически невозможным[27]. Чтобы создать эмиттер NPN-транзистора, следовало проводить диффузию фосфора — но, согласно работам Фроша, фосфор и оксидная маска были несовместимы[27]. В начале марта 1959 года Са Чжитан (бывший коллега Эрни по работе у Шокли, не участвовавший в «вероломной восьмёрке») указал Эрни и Нойсу на ошибку в выводах Фроша[27]. Фрош использовал слишком тонкие оксидные слои, и сделал общее заключение из частного случая[27]. Эксперименты Са на рубеже 1957—1958 годов показали, что достаточно толстый слой оксида способен задерживать и атомы фосфора[прим. 11]. Вооружённый этим знанием, к 12 марта 1959 года Эрни изготовил первый опытный планарный транзистор[28], а 1 мая 1959 года подал патентную заявку на изобретение планарного процесса[27]. В апреле 1960 года Fairchild начала выпуск первых серийных планарных транзисторов (2N1613)[29], а в октябре 1960 года анонсировала полный отказ от меза-транзисторов[30]. К середине 1960-х годов планарный процесс стал основным способом производства транзисторов и единственным способом производства монолитных интегральных схем[31]. Три проблемы микроэлектроникиНа пути к созданию интегральной схемы оставались три фундаментальные проблемы. Наиболее чётко их сформулировал в 1958 году сторонник «функциональной электроники» Торкл Уолмарк[32]:
Решение этих трёх задач способами, пригодными для серийного производства, и запуск такого производства и составляли изобретение интегральной схемы. Совокупность всех трёх решений — интеграции, изоляции и соединений — стала называться полупроводниковой (планарной и монолитной) интегральной схемой:
Только владение секретами интеграции, изоляции, соединения компонентов и планарным процессом позволило создать полноценный прототип полупроводниковой ИС. История распорядилась так, что у каждого из трёх решений оказался свой автор, а патенты на их изобретения оказались в руках трёх корпораций. Одна из них (Sprague Electric Company) не решилась развивать интегральную тему, другая (Texas Instruments) сделала ставку на заведомо неполный набор технологий, и только Fairchild Semiconductor, объединив всё необходимое, вплотную подошла к серийному выпуску монолитных ИС.
Интеграция по Джеку КилбиИзобретение КилбиВ мае 1958 года опытный радиотехник, ветеран Второй Мировой Джек Килби пришёл работать в Texas Instruments (TI)[34]. В первые месяцы работы на TI Килби не имел конкретных задач — он должен был сам найти себе работу в общем направлении «микроминиатюризации»[35]. Ему следовало либо предложить что-то радикально новое, либо стать винтиком в многомиллионном и малоуспешном проекте производства военных микромодулей TI[36]. Летом 1958 года, когда большинство персонала его отдела ушло в отпуск, Килби сформулировал три тезиса интеграции:
28 августа 1958 года Килби собрал первый макет будущей ИС из дискретных бескорпусных компонентов и получил добро на повторение опыта «в монолите»[36]. Технологии TI позволяли Килби сформировать в пластине германия (но не кремния) меза-транзисторы, меза-диоды, конденсаторы на p-n-переходах, а функцию резисторов выполняло объёмное сопротивление самой пластины[36]. Стандартная пластина TI (заготовка на 25 меза-транзисторов) имела размер всего 10 на 10 мм. Килби использовал вырезанные из пластины планки размером 10 на 1,6 мм, соответствовавшие одному ряду из пяти транзисторов[38] (из них Килби использовал не более двух). 12 сентября Килби представил первый прототип ИС[36] — однотранзисторный генератор колебаний с распределённой RC-цепочкой обратной связи, полностью повторявший схему и идею патента Джонсона 1953 года[39]. 19 сентября Килби изготовил второй прототип — двухтранзисторный триггер[40]. Описание обоих прототипов (включая ссылку на патент Джонсона) вошли в основную патентную заявку Килби (патент США 3138743[41]). В феврале-мае 1959 года Килби подал целую серию заявок на родственные изобретения, воплотившиеся в патенты США 3 072 832, 3 138 743, 3 138 744, 3 115 581, 3 261 081[42]. Разницы в порядковых номерах происходят из-за разниц в датах выдачи патентов. Первым, 8 января 1963, был выдан патент 3 072 832, последним — 19 июля 1966 года, патент 3 261 081[42]. Дата подачи заявки на ключевой патент 3 138 743, по мнению Арджуна Саксены, является спорной. В опубликованном патенте и в воспоминаниях Килби[43] указана дата 6 февраля 1959 года, однако она не подтверждается архивом заявок в федеральное патентное бюро[44]. Возможно, что первоначальная заявка Килби, впоследствии утраченная, была действительно датирована 6 февраля, однако самая ранняя сохранившаяся заявка была получена патентным бюро 6 мая 1959 года — той же датой, что и заявки, воплотившиеся в патенты 3 072 832 и 3 138 744[44]. Так или иначе, TI публично представила изобретение Килби 6 марта 1959 года[45]. Ни в одной патентной заявке Килби не была решена проблема изоляции и соединения компонентов[46]. Единственным средством изоляции был воздушный зазор — разрез на всю глубину кристалла[46]. Единственным средством соединения компонентов, реализованным Килби, был навесной монтаж золотой проволокой[46] — это делало схемы Килби гибридными, а не монолитными[47]. Значение изобретения Килби было в другом: Килби первым доказал на практике, что в массиве полупроводника можно сформировать все необходимые компоненты схемы: активные приборы, резисторы, конденсаторы и даже небольшие индуктивности[46]. Попытка коммерциализацииОсенью 1958 года TI начала продвигать ещё не запатентованную идею Килби военным заказчикам[36]. Предложение Килби противоречило принятым концепциям развития и ВВС, и Армии США[48]. Корпус связи и ВМФ США отказались от предложения TI, а в ВВС разгорелись споры — укладывается ли «твердотельная схема» (англ. Solid Circuit) Килби в уже принятую в авиации программу «молекулярной электроники» (англ. Molecular Electronics)[36]? В итоге в 1959 году TI получила заказ ВВС на разработку прототипов серийных ИС. С подачи Килби эти изделия получили название «функциональных электронных блоков» (англ. functional electronic block, сокращённо FEB, жаргонное feebs[49]). Westinghouse дополнила технологию TI эпитаксией и получила военный заказ в январе 1960 года[50]. В октябре 1961 года TI построила для ВВС демонстрационный «молекулярный компьютер» на 587 схемах Килби, заменявших, со слов компании, 8 500 дискретных компонентов[51][52]. Инженер TI Харви Крейгон упаковал компьютер с памятью в 300 бит в объём немногим более 100 см3[51]. В декабре 1961 года заказчик принял первое аналоговое устройство, созданное в рамках «молекулярной» программы — бортовой радиоприёмник[50]. Использованные ИС содержали не более 10-12 элементов, выход годных был запретительно низок, а высокая себестоимость штучного производства породила в профессиональной среде мнение о том, что аналоговые ИС могут быть оправданы только в аэрокосмической отрасли[53]. Однако именно эта отрасль отказалась ставить «молекулярную электронику» на боевые ракеты из-за низкой радиационной стойкости меза-транзисторов[49]. В апреле 1960 года TI анонсировала «гражданский» мультивибратор модели 502 — первую в мире интегральную схему, доступную на открытом рынке[49]. Реклама утверждала, что, в отличие от «бумажных» заявок конкурентов, «мультивибратор 502 — настолько настоящий, что у него есть цена: 450 долларов за штуку при заказе до 100 штук, 300 долларов при заказе бо́льших партий»[54] Продажи 502 начались только летом 1961 года, а цена оказалась ещё выше[55]. 502 была «почти» монолитной, но без изоляции транзисторов друг от друга, и без металлизации соединительных проводников. Принципиальная схема (два транзистора, четыре диода, шесть резисторов и два конденсатора) повторяла традиционную дискретную схемотехнику[56]. Внутри металлокерамического корпуса размещались два кристалла — узкие полоски кремния длиной около 5 мм[56]. На одном кристалле были сформированы входные конденсаторы, на втором — диффузионные меза-транзисторы и меза-диоды[57]. Тело второго кристалла выполняло функции шести резисторов[57]. Четыре из этих резисторов были физически обособлены продольными вырезами в теле кристалла[57]. Ножки корпуса припаивались непосредственно к нижней поверхности кристаллов, остальные электрические соединения (всего десять перемычек) выполнялись золотой проволокой[57]. Увлечение менеджмента TI «молекулярной электроникой» в итоге привело TI к технологическому отставанию от Fairchild и Sylvania на год-другой[51]. В 1962 году TI, так и не начавшая массовый выпуск схем Килби, перешла на выпуск теперь уже «обычных» планарных монолитных ИС. Изобретение изоляции p-n-переходомРешение Курта ЛеговцаВ конце 1958 года инженер-физик Sprague Electric Company Курт Леговец посетил семинар в Принстоне, на котором Торкл Уолмарк изложил своё видение фундаментальных проблем микроэлектроники. Возвращаясь домой в Массачусетс, Леговец нашёл простое решение проблемы изоляции компонентов на кристалла — изоляцию p-n-переходом[58]:
Для проверки своей идеи Леговец воспользовался доступными на Sprague технологиями производства транзисторов на выращенных переходах и сплавных транзисторов. Опытная схема Леговца, так же как и первая схема Килби, представляла собой линейную, одномерную структуру — узкую планку размером 2,2×0,5×0,1 мм, разделенную на изолированные ячейки n-типа (базы будущих транзисторов) узкими «пакетами» изолирующих p-n-переходов[59]. Слои и переходы в пластине формировались методом выращивания из расплава[59]. Тип проводимости слоя (n-тип или p-тип) определялся скоростью вытягивания кристалла: на медленной скорости в кристалле формировался слой p-типа (обогащённый индием), на высокой скорости — слой n-типа (обогащённый мышьяком)[59]. Затем к пластине приваривались индиевые бусины — коллекторы и эмиттеры сплавных транзисторов[59]. Все электрические соединения выполнялись вручную золотой проволокой[59]. Менеджмент Sprague, занятый корпоративными войнами, не заинтересовался изобретением Леговца. Раздосадованный отношением руководства Леговец самостоятельно, за свой счёт составил патентную заявку, 22 апреля 1959 года подал её в патентное бюро, а затем уехал из США на два года. Самоустранение Леговца в решающий момент дало Гордону Муру повод утверждать, что «Леговец является изобретателем интегральной схемы только с точки зрения патентного бюро … Я считаю, что инженерное сообщество не признаёт его изобретателем ИС, ведь кроме заявки на патент он ничего не сделал. У успешного дела всегда много отцов»[60]. Решение Роберта НойсаВ середине января 1959 года на Fairchild Semiconductor произошли два малозаметных события. 14 января Жан Эрни ознакомил Роберта Нойса и патентного поверенного Джона Раллза с последней версией своего планарного процесса[61][прим. 13]. Служебная записка Эрни послужила основой патентной заявки на изобретение планарного процесса, поданной в мае 1959 года и воплотившейся в патенты США 3 025 589 (собственно планарный процесс) и 3 064 167 (планарный транзистор)[прим. 14]. 20 января 1959 года руководство Fairchild встретилось с разработчиком бортового компьютера ракеты «Атлас» Эдвардом Кеонджаном (англ. Edward Keonjian), чтобы обсудить совместную разработку гибридных цифровых ИС сумматора для компьютера Кеонджана[62]. Вероятно, именно эти события побудили Роберта Нойса вернуться к идее интеграции[63]. 23 января 1959 года Нойс изложил на бумаге своё ви́дение планарной интегральной схемы, по существу «изобретя заново» идеи Килби и Леговца на базе планарного процесса Эрни[64]. Нойс утверждал в 1976 году, что в январе 1959 года он не знал о работах Леговца[65]. По мнению биографа Нойса Лесли Берлин[прим. 1], напротив, Нойс опирался на работы Леговца[66]. Для примера Нойс описал конструкцию интегрального сумматора на диодной матрице — той самой схемы, которую он обсуждал с Кеонджаном[64][67]. Транзисторы, диоды и резисторы этой гипотетической схемы были изолированы друг от друга p-n-переходом, однако решение Нойса принципиально отличалось от решения Леговца. Производство схемы, рассуждал Нойс, должно было начинаться с заготовки тонкой пластины высокоомного собственного (нелегированного) кремния, покрытой защитным оксидным слоем[68]. В ходе первой фотолитографии в этом слое вскрывались окна, соответствующие будущим изолированным приборам, а затем проводилась диффузия примесей для создания низкоомных «колодцев» на всю толщину пластины[68]. Внутри колодцев формировались «обычные» планарные приборы[68]. Подход Нойса принципиально отличался от подхода Леговца тем, что позволял создавать двумерные конструкции с потенциально неограниченным количество приборов на кристалле. Записав свои идеи, Нойс на несколько месяцев забросил тему интеграции. По словам самого Нойса, в боровшейся за выживание компании было достаточно других, более важных дел, да и планарный процесс Эрни существовал только на бумаге[69]. В марте 1959 года планарный процесс стал реальностью, но одновременно в компании разразился кризис управления: генеральный директор Эд Болдвин с группой технологов ушёл к конкурентам, и на его место был назначен именно Нойс[70]. Тем не менее, именно в марте Нойс вернулся к теме интеграции. По одной версией, поводом к этому стала пресс-конференция TI об изобретении Эрни, по другой — рекомендации патентных поверенных Fairchild «придумать новые области применения» для планарного процесса Эрни[71]. Оформление заявки заняло полгода, и оказалось, что Нойс опоздал: Патентное бюро США отказало ему, так как этому времени уже приняло заявку Леговца[72]. Нойсу пришлось отказаться от прав на ряд положений своей заявки, но в итоге он доказал чиновникам самостоятельную ценность своего предложения, и в 1964 году получил патенты США 3 150 299 на «Полупроводниковую схему со средствами изоляции» и 3 117 260 на «Комплексы полупроводниковых приборов»[73][68]. Изобретение металлизацииДругой проблемой, решённой Нойсом в январе и марте 1959 года, стала проблема соединений. Нойс с самого начала ориентировался на создание товарного продукта[74], а без решения проблемы соединений серийный выпуск был невозможен[75]. Со слов Нойса, изобретение соединений через слой металлизации родилось
Идея Нойса, с точки зрения его коллег по «вероломной восьмёрке», была самоочевидной: разумеется, пассивирующий оксидный слой является естественным барьером между кристаллом и слоем металлизации[77]. По свидетельству Тёрнера Хейсти, работавшего и с Килби и с Нойсом, Нойс планировал сделать микроэлектронные патенты Fairchild доступными для широкого круга компаний-лицензиатов — так же, как в 1951—1952 годах Bell Labs открыла всем желающим технологии производства транзисторов[78]. Заявка на изобретение металлизации была сдана в Патентное бюро 30 июля 1959 года, и (в отличие от заявки на изоляцию p-n-переходом) прошла патентную экспертизу без особых нареканий — патент США 2 981 877 был выдан Нойсу 25 апреля 1961 года. Согласно патенту, существо изобретения Нойса состояло, во-первых, в сохранении оксидного слоя, отделяющего слой металлизации от массива полупроводника (исключая контактные окна, в которых металлизация касалась полупроводника), во-вторых, в нанесении (англ. deposition) слоя металлизации поверх оксида таким образом, что металл прочно скрепляется (англ. adherent) с оксидом. Способ нанесения металла ещё не был известен. Нойс привёл только примеры возможных, но не проверенных на практике технологий: либо селективное осаждение алюминия из вакуума через трафарет, либо нанесение сплошного слоя с последующей фотолитографией рисунка соединений и травлением лишнего металла. По мнению Арджуна Саксены, патент Нойса, при всех его недостатках, точно отражает основы микроэлектронных технологий: так, или примерно так, и изготавливаются современные ИС[79]. Вероятно, что об аналогичном решении задумывался и Килби: в его патенте упоминается возможный, но не реализованный способ соединений через слой металлизации. Однако Килби поставил на первое место нанесение толстоплёночных слоёв различных металлов (алюминия, меди, легированного сурьмой золота), а вместо привычного в электронных технологиях диоксида кремния рекомендовал использовать моноксид кремния. Ни та, ни другая идея не прижились на практике и не совместима с современным определением полупроводниковой ИС[80]. Первые полупроводниковые ИСВ августе 1959 года Нойс основал на Fairchild рабочую группу по разработке интегральных схем[81]. 26 мая 1960 года эта группа, возглавлявшаяся Джеем Ластом[англ.], создала первую опытную планарную интегральную схему на четырёх транзисторах[82]. Этот прототип не был, однако, монолитным — две пары его транзисторов изолировались друг от друга физической резкой кристалла[82] по патенту Ласта[83]. Начальные этапы производства повторяли обычный «транзисторный» планарный процесс Эрни[84]. Затем кристалл толщиной 80 микрон приклеивали лицевой стороной к стеклянной подложке и проводили с тыльной стороны дополнительную фотолитографию рисунка разделительной канавки[84]. Глубокое травление прорезало кристалл на всю его толщину до лицевого оксидного слоя[84]. Тыльная сторона заливалась эпоксидной смолой, а когда она схватывалась — схему отделяли от стеклянной подложки[84]. В августе 1960 года Ласт приступил ко второму прототипу, на этот раз используя предложенную Нойсом изоляцию p-n-переходом[82]. Роберт Норман отладил схему триггера на четырёх транзисторах и пяти резисторах, Изи Хаас и Лайонел Каттнер разработали операцию диффузии бора, формирующую изолирующие переходы[82]. Первый работоспособный образец был закончен и испытан 27 сентября 1960 года — это и была первая полноценная полупроводниковая (планарная и монолитная) интегральная схема[82]. Fairchild Semiconductor не сумела правильно распорядиться достигнутым. Вице-президент компании по маркетингу обвинил Ласта в неэффективном использовании денег компании и потребовал закрыть «интегральный» проект[85]. В январе 1961 года Ласт, Эрни и их товарищи по «вероломной восьмёрке» Кляйнер и Робертс ушли из Fairchild и возглавили Amelco[86]. Дэвид Аллисон, Лайонел Каттнер и другие технологи ушли, чтобы основать прямого конкурента Fairchild — компанию Signetics[86]. Несмотря на уход ведущих физиков и технологов, Fairchild объявила о выпуске первых коммерческих ИС серии Micrologic в марте 1961 года, а затем потратила целый год на создание семейства логических ИС[82] — к этому времени производство сопоставимых ИС освоили и конкуренты. TI, отказавшаяся от интегральных схем Килби, получила контракт на планарные ИС серии 51 для межпланетных спутников, а затем — для баллистических ракет «Минитмен»[52]. ИС бортовых компьютеров космических кораблей «Аполло» были разработаны на Fairchild, но бо́льшая часть госзаказа на их производство досталась Raytheon и Philco Ford[англ.][87]. Каждый компьютер «Аполло» содержал около 5000 стандартных логических ИС[88], и за время производства этих компьютеров стоимость ИС с военной приёмкой упала с 1000 до 20-30 долларов за штуку — так НАСА и Пентагон подготовили почву для возникновения гражданского рынка ИС[89]. Резисторно-транзисторная логика первых серий ИС Fairchild и TI оказалась подвержена электромагнитным помехам, и в 1964 обе компании перешли на диодно-транзисторную логику семейств 53 и 930[90]. Signetics выпустила диодно-транзисторное семейство Utilogic ещё в 1962 году, но отстала от Fairchild и TI с расширением производства[91]. Fairchild стала лидером по количеству проданных в 1961—1965 годах ИС, но TI опередила её в денежной сумме выручки (32 % рынка ИС в 1964 году против 18 % у Fairchild)[90]. Все логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами[92]. Новый подход к проектированию — использование в одной ИС различных конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме — впервые предложил разработчик Sylvania Том Лонго в 1961—1962 годах. В конце 1962 года Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) — исторически первый тип интегральной логики, сумевший надолго закрепиться на рынке[93]. В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершил в 1964—1965 годах разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар[94]. Патентная война 1962—1966 годовВ 1959—1961 годах, когда TI и Westinghouse параллельно работали над авиационной «молекулярной электроникой», менеджмент TI относился к конкуренции спокойно. В 1962 году отношение изменилось, и TI стало ревностно преследовать реальных и мнимых нарушителей своих патентов. За корпорацией закрепились прозвища «Далласская адвокатская контора» (англ. The Dallas legal firm)[95] и «полупроводниковые ковбои» (англ. Semiconductor cowboys)[96]. Недобросовестные действия TI стали образцом для множества позднейших подражателей[97]. Однако в условиях 1960-х годов иски TI не могли существенно повредить конкурентам — отрасль развивалась, не обращая внимания на патентные споры[98]. TI против Westinghouse. В 1962—1963 годах, когда под давлением рынка TI и Westinghouse переходили на планарный процесс, инженер Westinghouse Хун-Чан Лин[англ.] изобрёл боковой транзистор[99]. В обычном планарном процессе все транзисторы имеют один тип проводимости (обычно NPN), а решение Лина позволило создавать на том же кристалле и транзисторы PNP-типа[99]. Военные заказы, на которые уже рассчитывала TI, ушли к Westinghouse — и TI подала на бывших партнёров в суд[100]. Дело было решено во внесудебном порядке[100]. TI против Sprague. 10 апреля 1962 года Курт Леговец получил патент на своё изобретение изоляции p-n-переходом. Сразу после публикации патента TI заявила, что патент Леговца нарушает права Джека Килби и TI[101]. По утверждениям TI, все вопросы изоляции уже были разрешены в патентных заявках Килби 1959 года[101]. Основатель Sprague Роберт Спраг счёл дело заранее проигранным и собирался отказаться от прав на патент, но Леговец убедил руководство и юристов компании в своей правоте[101]. Четыре года спустя TI организовала в Далласе арбитражное слушание дела с наглядными демонстрациями изобретений Килби и выступлениями экспертов[102]. Леговец сумел убедительно доказать, что в работах Килби не содержалось никаких упоминаний об изоляции компонентов, и в апреле 1966 года патентный арбитраж присудил Леговцу приоритет в изобретении[103]. Raytheon против Fairchild. 20 мая 1962 года Жан Эрни (к этом времени уже покинувший Fairchild) получил первый патент на изобретение планарной технологии[104]. Raytheon посчитала, что патент Эрни повторяет основные положения принадлежащего Raytheon патента Жюля Эндрюса, и подала на Fairchild в суд[105]. При внешней схожести (фотолитография, диффузия, травление) процесс Эндрюса имел принципиальный недостаток: он предусматривал полное удаление оксидного слоя после каждой диффузии, тогда как в процессе Эрни «грязный» оксид сохранялся[105]. Вскоре на Raytheon поняли, что выигрыш в суде невозможен. Корпорация отозвала иск и приобрела у Fairchild лицензию на процесс Эрни[105]. Hughes против Fairchild. Hughes Aircraft подала на Fairchild в суд, утверждая, что исследователи Hughes пришли к тем же выводам, что и Эрни, и сделали это раньше Эрни[105]. Позиция Hughes, по мнению юристов Fairchild, не имела шансов в суде, однако судебное разбирательство заняло бы годы, в течение которых Fairchild не смогла бы правомерно продавать лицензии на процесс Эрни[105]. Fairchild предпочла договориться с Hughes вне суда[105]. Hughes получила права на один из семнадцати пунктов патента Эрни, а затем обменяла его на небольшую долю в будущих лицензионных доходах Fairchild[105]. TI против Fairchild. Основной удар TI пришёлся на крупнейшего и технологически продвинутого конкурента — Fairchild Semiconductor. Иски TI не препятствовали собственному производству Fairchild, но затрудняли продажу лицензий на её технологии. К 1965 году планарная технология Fairchild стала стандартом отрасли, но лицензию на патенты Эрни и Нойса приобрели не более десяти производителей[98]. Рычагов влияния на нелицензированные производства в то время не существовало[98]. В таком же положении оказалась и сама TI: её важнейший актив — патенты Килби — не приносил доходов. В 1964 году арбитраж присудил TI права на четыре из пяти ключевых положений оспариваемых патентов[106]. Обе компании, действуя из принципа «всё или ничего», оспорили это решение[107]. Тяжба могла продолжаться ещё долгие годы, если бы не поражение TI в споре со Sprague в апреле 1966 года. Руководство TI поняло, что уже не сможет собрать в своих руках весь пакет микроэлектронных патентов, и потеряло интерес к продолжению конфликта[108]. Летом 1966 года[107] TI и Fairchild заключили мировое соглашение о взаимном признании патентных прав и перекрёстном лицензировании ключевых патентов, в 1967 году к ним присоединилась Sprague[108]. Япония против Fairchild. И Fairchild, и TI пытались основать производства в Японии ещё в начале 1960-х, но наткнулись на жёсткое сопротивление японского министерства промышленности и торговли[англ.] (MITI)[109]. В 1962 году MITI запретило Fairchild инвестировать в уже купленную в Японии фабрику, и неопытный Нойс попытался выйти на японский рынок через корпорацию NEC[109]. В 1963 году руководство NEC, якобы действуя под давлением MITI, добилось от Fairchild исключительно выгодных для Японии условий лицензирования, впоследствии закрывших Fairchild возможность самостоятельно торговать на японском рынке[110]. Только после заключения сделки Нойс узнал, что президент NEC по совместительству председательствовал в комитете MITI, который блокировал сделки Fairchild и «давил» на NEC[111]. Япония против TI. TI попыталась основать производство в Японии в 1963 году, уже имея отрицательный опыт переговоров с NEC и Sony[112]. MITI в течение двух лет отказывалось дать определённый ответ на заявку TI, и в 1965 году США нанесли ответный удар, угрожая японцам эмбарго на ввоз электронной техники, нарушавшей патенты TI[113]. В 1966 году под удар попала Sony, в 1967 году Sharp[113]. MITI осознала угрозу и начала тайно подыскивать TI «генерального партнёра» из японских корпораций. MITI настояла на разрыве уже намечавшейся сделки между TI и Mitsubishi (владельца Sharp), и убедила Акио Морита заключить сделку с TI «в интересах будущего японской промышленности»[114]. Несмотря на секретные протоколы, гарантировавшие американцам приобретение доли в Sony, соглашение 1967—1968 годов было крайне невыгодно для TI[115]. В течение почти тридцати лет японские компании выпускали ИС, не платя лицензионных отчислений TI, и лишь в 1989 японский суд признал за TI права на изобретение Килби[116]. Как следствие, в 1990-е годы все японские производители ИС были вынуждены платить TI за патентное решение тридцатилетней давности или заключать соглашения о взаимном лицензировании. В 1993 году TI заработала на лицензионных сборах 520 миллионов долларов, и бо́льшая часть этих денег была собрана именно в Японии[117]. Историография изобретенияДва изобретателя: Килби и НойсВо время патентной войны 1960-х годов пресса и профессиональное сообщество США признавало, что круг изобретателей ИС может быть достаточно широким. В книге «Золотой век предпринимательства» (англ. Golden Age of Entrepreneurship), выпущенной Time-Life Books[118], изобретателями были названы четыре человека: Килби, Леговец, Нойс и Эрни[119]. Сораб Ганди[англ.] в «Теории и практике микроэлектроники» (1968) писал, что патенты Леговца и Эрни стали высшей точкой полупроводниковых технологий 1950-х годов, и открыли путь к серийному производству ИС[120]. В октябре 1966 года Килби и Нойс были удостоены Баллантайновской медали Института Франклина «за вклад в создание интегральных схем»[121]. Так начала складываться каноническая «версия двух изобретателей». Выдвижение Килби вызвало возражения современников, не признававших прототипы Килби за «настоящие» (полупроводниковые) ИС[107]. Ещё более спорным казалось выдвижение Нойса: инженерное сообщество прекрасно знало о роли Ласта, Мура, Эрни и других изобретателей, физиков и технологов, стоявших за разработкой первых полупроводниковых ИС[107]. Знало оно и о том, что Нойс, ставший генеральным директором Fairchild в марте 1959 года, не участвовал непосредственно в создании первых ИС[107]. Нойс этого и не скрывал: о своих патентах он говорил, что «я решал производственную задачу. Я не пытался сделать интегральную схему.»[122]. По мнению биографа Нойса Лесли Берлин, Нойс стал «отцом интегральной схемы» исключительно благодаря судебным искам TI[107]. Оспорив приоритет Нойса как изобретателя, TI «назначила» его единоличным представителем всего коллектива разработчиков Fairchild[123]. Fairchild ответила мобилизацией всех ресурсов на защиту приоритета Нойса, в дело пошла тяжёлая артиллерия корпоративного пиара[124]. Килби лично участвовал в пиар-кампаниях TI, Нойс был менее заметен, но его успешно замещал Гордон Мур[125]. К середине 1970-х годов подпитываемая пиаром TI, Fairchild и Intel «версия двух изобретателей» стала восприниматься как единственная истина[126]. Вспышка полемики между Килби и Леговцом на страницах профессиональных журналов (1976—1978) не изменила положения. Эрни, Ласт, Леговец оказались забытыми — за ними не стояло крупных корпораций, да и сами они не были склонны к публичным спорам[126]. В научных статьях 1980-х годов «краткий курс истории микроэлектроники» приобрёл вид (пример авторов, рассматривающих тему «глазами Intel»):
В 1984 году «версия двух изобретателей» была закреплена в книге Томаса Рида[англ.] под названием «Как двое американцев изобрели микрочип» (англ. The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution[128]). Книга Рида неоднократно переиздавалась, последний раз — в 2008 году[129]. Роберт Райт из The New York Times раскритиковал Рида за пространные описания второстепенных персонажей, причастных к изобретению[130], однако имена и работы Леговца и Ласта в книге даже не упомянуты. Консультировавший Рида Жан Эрни появляется в книге лишь в качестве теоретика, дававшего советы великому Нойсу[131]. Автор «Современной истории вычислительной техники» (2003) и куратор музея авиации и космонавтики Смитсоновского института Пол Черуцци[англ.] также повторил «версию двух изобретателей» и сделал оговорку, что «их изобретение … было лишь ещё одним шагом» в направлении, заданном военными программами миниатюризации 1950-х годов[132]. Ссылаясь на «мнение большинства», Черруцци поставил на первое место решение Нойса использовать планарный процесс Эрни[133]. Эрни, по мнению Черуцци, «проложил дорогу» к серийному производству ИС, но в список изобретателей ИС не включен[134]. Вопросы изобретения изоляции компонентов в книге Черуцци не рассматривались. В 2000 году Нобелевский комитет присудил Нобелевскую премию по физике: Жоресу Алфёрову и Герберту Крёмеру — «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной и оптоэлектронике», и Джеку Килби — «за его вклад в изобретение интегральной схемы»[1]. По уставу Нобелевская премия присуждается только живым, поэтому посмертное награждение Роберта Нойса было невозможно (сам Нойс при жизни отвечал на вопросы о перспективах Нобелевской премии: «За изобретения Нобеля не дают. За настоящую работу тоже.»[135]). Рассматривал ли Нобелевский комитет иных, доживших до 2000 года, соавторов изобретения — неизвестно, процесс принятия решений Комитетом не подлежит разглашению[136]. Арджун Саксена[прим. 3] критически утверждал, что вклад Килби (в отличие от вклада Алфёрова и Крёмера) был чисто инженерным, изобретательским, и не относился к сферам фундаментальной науки — следовательно, награждение Килби было произведено с нарушением воли Альфреда Нобеля[137]. «Версия двух изобретателей» продолжает воспроизводиться в американской печати и в 2010-е годы[138]. Встречается и вариант, в котором «главным революционером» признаётся один Килби, а Нойсу отводится роль «другого инженера», усовершенствовавшего изобретение Килби[139]. В популярной книге Фреда Каплана[англ.] «1959: год, который изменил всё» (2010), в которой изобретению ИС отведено восемь страниц[140], список изобретателей сведён к одной фамилии: Килби. По Каплану, ИС была изобретена «не огромной командой физиков, а единственным человеком, одиночкой, и притом не физиком, но инженером».[141] Имя Нойса появляется только в примечаниях в конце книги: «следует заметить, что у микрочипа оказался и случайный соавтор — Роберт Нойс, который выдвинул свою версию в январе 1959 года, а затем забросил её — до презентации TI в марте 1959 года…»[142] Ни Эрни, ни Ласт, ни работавшие с Килби Латроп и Барнс в книге Каплана не упомянуты[прим. 15]. Ревизия канонической версииВ конце 1990-х и 2000-х годах в США вышел ряд книг по истории полупроводниковой промышленности, авторы которых попытались восстановить полную картину изобретения ИС и переосмыслить «версию двух изобретателей». В 1998 году Майкл Риордан и Лилиан Ходдсон выпустили Огонь в кристалле (англ. Crystal Fire: The Birth of the Information Age), в которой подробно описали события, предшествовавшие изобретению Килби, и роли участников этих событий в истории. Однако Риордан и Ходдесон закончили свою книгу на изобретении Килби и не дали критического анализа этого изобретения[143]. Лесли Берлин[прим. 1] в биографии Роберта Нойса (2005) подробно рассмотрела изобретение с точки зрения событий на Fairchild и критически оценила вклад Килби: «Соединения проволокой исключали возможность серийного производства, и Килби не мог не знать этого. Однако его [прототип] всё же представлял собой … нечто похожее на интегральную схему.»[75] В 2007 году Бо Лоек[прим. 2] выпустил «Историю полупроводниковой отрасли» (англ. History of Semiconductor Engineering), в которой произвёл полную ревизию «версии двух изобретателей»: «Историки приписали изобретение ИС Джеку Килби и Роберту Нойсу. В этой книге я утверждаю, что круг изобретателей был намного шире.»[144]. Лоек подробно рассмотрел вклад Эрни и Ласта в создание первой полупроводниковой ИС на Fairchild и дал критическую оценку работам Килби: «Идея ИС Килби была настолько непрактичной, что от неё отказалась даже TI. Патент Килби имел ценность только как удобный и выгодный предмет торга. Если бы Килби работал не на TI, а на любую другую компанию, то его идеи вообще не были бы запатентованы.»[145] В 2009 году Арджун Саксена[прим. 3] выпустил «Изобретение интегральной схемы: неизвестные факты» (англ. Invention of integrated circuits: untold important facts), в которой произвёл подробный анализ документальных свидетельств об изобретениях Даммера, Джонсона, Стюарта, Килби, Нойса, Леговца и Эрни. Также, как и Лоек, Саксена утверждал, что «доминирующее в обществе мнение [об исключительной роли Килби и Нойса] — ошибочно, уже в течение четырёх десятилетий … почти все в микроэлектронике (включая физиков, химиков, инженеров и так далее), кажется, приняли это ошибочное мнение за единственную истину — и ничего не сделали для того, чтобы исправить положение.»[146] Комментарии
Примечания
Источники
Литература
|