[Перевод] История транзистора, часть 3: многократное переизобретение
- История реле
- История электронных компьютеров
- История транзистора
Более сотни лет аналоговая собака виляла цифровым хвостом. Попытки расширить возможности наших органов чувств — зрения, слуха, и даже, в каком-то смысле, осязания, вели инженеров и учёных на поиски лучших компонентов для телеграфа, телефона, радио и радаров. Лишь по счастливой случайности эти поиски обнаружили путь к созданию новых типов цифровых машин. И я решил рассказать историю этой постоянной экзаптации, во время которой инженеры электросвязи поставляли исходные материалы для первых цифровых компьютеров, а иногда даже сами проектировали и создавали эти компьютеры.
Но к 1960-м это плодотворное сотрудничество подошло к концу, а с ним и моя история. Изготовителям цифрового оборудования уже не нужно было заглядывать в мир телеграфа, телефона и радио в поисках новых, улучшенных переключателей, поскольку сам транзистор обеспечил неисчерпаемый источник улучшений. Год за годом они копали всё глубже и глубже, всегда находя способы экспоненциально увеличивать скорость работы и уменьшать стоимость.
Однако ничего этого бы не произошло, если бы изобретение транзистора остановилось бы на работе Бардина и Бреттейна.
Медленный старт
В популярной прессе не наблюдалось активного энтузиазма в связи с объявлением лабораторий Белла об изобретении транзистора. 1 июля 1948 года в The New York Times этому событию отвели три абзаца внизу сводки «Новостей радио». Причём эта новость появилась после других, очевидно, считавшихся более важными: например, часового радиошоу «Время вальса», которое должно было появиться на NBC. Задним умом мы, возможно, захотим посмеяться, или даже побранить неизвестных авторов — как же они не смогли распознать перевернувшее мир событие?
Но взгляд в прошлое искажает восприятие, усиливая те сигналы, значимость которых нам известно, хотя в то время они терялись в море шума. Транзистор 1948 года сильно отличался от транзисторов компьютеров, на одном из которых вы читаете эту статью (если вы не решили её распечатать). Отличались так сильно, что, несмотря на одинаковое название, и связывающую их непрерывную линию наследования, их нужно считать разными видами, если не разными родами. У них разные составы, разная структура, разный принцип функционирования, не говоря уже о гигантском различии в размерах. Только благодаря постоянным повторным изобретениям неуклюжее устройство, сооружённое Бардином и Бреттейном, смогло преобразовать мир и нашу жизнь.
На самом деле, германиевый транзистор с одной точкой контакта не заслуживал внимания большего, чем получил. У него было несколько дефектов, унаследованных от электронной лампы. Он, конечно, был гораздо меньше самых компактных ламп. Отсутствие раскалённой нити означало, что он выдаёт меньше тепла, потребляет меньше энергии, не перегорает и не требует прогрева перед использованием.
Однако накопление грязи на контактной поверхности приводило к отказам и сводило на нет потенциал к более долгому сроку службы; он давал более шумный сигнал; работал только при низких мощностях и в узком диапазоне частот; отказывал при наличии жары, холода или влажности; и его не получалось производить единообразно. Несколько транзисторов, созданных одним и тем же способом одними и теми же людьми, обладали бы вызывающе разными электрическими характеристиками. И всё это сопровождалось стоимостью в восемь раз большей, чем у стандартной лампы.
Только к 1952 году лаборатории Белла (и другие владельцы патента) решили проблемы производства достаточно для того, чтобы транзисторы с одной точкой контакта стали практичными устройствами, и даже тогда они не особенно распространились дальше рынка слуховых аппаратов, на котором чувствительность к ценам была относительно низкой, а преимущества, касающиеся времени работы от аккумулятора, превышали недостатки.
Однако тогда уже начались первые попытки превратить транзистор в нечто лучшее и более полезное. Они вообще-то начались гораздо раньше того момента, когда общественность узнала о его существовании.
Амбиции Шокли
К концу 1947 года Билл Шокли в большом возбуждении предпринял поездку в Чикаго. У него были смутные идеи по поводу того, как превзойти недавно изобретённый Бардиным и Бреттейном транзистор, но ему пока не представилось шанса разработать их. Поэтому вместо того, чтобы наслаждаться перерывом между этапами в работе, он провёл Рождество и Новый год в отеле, заполнив порядка 20 страниц блокнота своими идеями. Среди них было предложение нового транзистора, состоящего из полупроводникового сэндвича — ломтика из германия p-типа между двумя кусочками n-типа.
Подбадриваемый наличием такого туза в рукаве, Шокли предъявил Бардину и Бреттейну претензии по их возвращению в Мюррей-Хилл, требуя всей славы за изобретение транзистора. Разве не его идея о полевом эффекте заставила Бардин и Бреттейна засесть в лаборатории? Разве не нужно из-за этого передать все права на патент ему? Однако хитрость Шокли вышла ему боком: патентные юристы лабораторий Белла выяснили, что неизвестный изобретатель, Юлий Эдгар Лилиенфельд, запатентовал полупроводниковый усилитель на полевом эффекте почти за 20 лет до этого, в 1930. Лилиенфельд, конечно, так и не воплотил свою идею, учитывая состояние материалов на то время, но риск пересечения был слишком велик — лучше было полностью избежать упоминания полевого эффекта в патенте.
Так что, хотя лаборатории Белла и выдали Шокли щедрую долю славы изобретателя, в патенте они упомянули только Бардина и Бреттейна. Однако, сделанного не воротишь: амбиции Шокли уничтожили его взаимоотношения с двумя подчинёнными. Бардин прекратил работу над транзистором, и сконцентрировался на сверхпроводимости. Он ушёл из лабораторий в 1951. Бреттейн остался там, но отказался вновь работать с Шокли, и настоял на перевод в другую группу.
Из-за неспособности работать с другими людьми Шокли так и не продвинулся в лабораториях, поэтому тоже ушёл оттуда. В 1956 он вернулся домой в Пало-Альто, чтобы основать собственную компанию по производству транзисторов, Shockley Semiconductor. Перед отъездом он расстался с женой Джин, когда она восстанавливалась от рака матки, и сошёлся с Эмми Леннинг, на которой вскоре женился. Но из двух половин его калифорнийской мечты — новая компания и новая жена — исполнилась лишь одна. В 1957 лучшие его инженеры, разгневанные его стилем управления и направлением, в котором он вёл компанию, ушли от него, чтобы основать новую фирму, Fairchild Semiconductor.
Шокли в 1956
Так что Шокли бросил пустую оболочку своей компании и устроился в департамент электротехники в Стэнфорде. Там он продолжал отталкивать от себя своих коллег (и своего старейшего друга, физика Фреда Зейтца) заинтересовавшими его теориями расового вырождения и расовой гигиены — темами, непопулярными в США со времени окончания последней войны, особенно в академических кругах. Он находил удовольствие в развязывании споров, взвинчивании СМИ и вызывании протестов. Он умер в 1989 году, отдалившись от детей и коллег, и посещаемый только вечно преданной ему второй женой, Эмми.
Хотя его жалкие попытки на поприще предпринимательства провалились, Шокли уронил зерно в плодотворную почву. Область залива Сан-Франциско произвела на свет множество небольших фирм, производящих электронику, которые сдабривало финансированием федеральное правительство во время войны. Fairchild Semiconductor, случайный отпрыск Шокли, породил десятки новых фирм, парочка которых известна и сегодня: Intel и Advanced Micro Devices (AMD). К началу 1970-х эта область заслужила насмешливое прозвище «Кремниевая долина». Но постойте-ка — ведь Бардин и Бреттейн создали германиевый транзистор. Откуда взялся кремний?
Так в 2009 году выглядело заброшенное место в Маунтин-Вью, где ранее находилась Shockley Semiconductor. Сегодня здание снесено.
К кремниевому перекрёстку
Судьба нового типа транзистора, придуманного Шокли в чикагском отеле, была гораздо счастливее, чем у его изобретателя. Всё благодаря стремлению одного человека выращивать единые чистые полупроводниковые кристаллы. Гордон Тил, физический химик из Техаса, изучавший бесполезный тогда германий для своей докторской, в 30-х годах устроился на работу в лаборатории Белла. Узнав о транзисторе, он уверился в том, что его надёжность и мощность можно значительно улучшить, создав его из чистого монокристалла, а не из использовавшихся тогда поликристаллических смесей. Шокли отверг его попытки, считая их бесполезной тратой ресурсов.
Однако Тил упорствовал и добился успеха, с помощью инженера-механика Джона Литла создав аппарат, достающий крохотный зародыш кристалла из расплавленного германия. Охлаждаясь вокруг зародыша, германий расширял его кристаллическую структуру, создавая непрерывную и почти чистую полупроводящую решётку. К весне 1949 года Тил и Литл могли создавать кристаллы по заказу, и испытания показали, что они оставляют далеко позади своих поликристаллических конкурентов. В частности, добавленные в них неосновные переносчики могли выживать внутри сотню микросекунд или даже дольше (против не более чем десяти микросекунд в других пробах кристаллов).
Теперь Тил мог позволить себе больше ресурсов, и набрал в свою команду больше людей, среди которых был ещё один физический химик, пришедший в лаборатории Белла из Техаса — Моргана Спаркса. Они начали менять расплав для изготовления германия p-типа или n-типа, добавляя шарики соответствующих примесей. Ещё за год они усовершенствовали технологию до такой степени, что могли выращивать германиевый n-p-n сэндвич прямо в расплаве. И он работал именно так, как предсказывал Шокли: электрический сигнал материала p-типа модулировал электрический ток между двумя проводниками, соединёнными с окружающими его кусочками n-типа.
Морган Спаркс и Гордон Тил за верстаком в лабораториях Белла
Этот транзистор с выращенным переходом превзошёл своего предка с одним точечным контактом почти по всем статьям. В особенности, он стал более надёжным и предсказуемым, выдавал гораздо меньше шума (и, следовательно, был более чувствительным), и чрезвычайно энергоэффективным — потребляя в миллион раз меньше энергии, чем типичная электронная лампа. В июле 1951 года лаборатории Белла организовали ещё одну пресс-конференцию, чтобы объявить о новом изобретении. Ещё до того, как первый транзистор сумел выйти на рынок, он, по сути, уже стал несущественным.
И всё же это было лишь начало. В 1952 году General Electric (GE) объявила о разработке нового процесса создания транзисторов с переходом, сплавного метода. В его рамках два шарика индия (донор p-типа) сплавлялись с двух сторон тонкого ломтика из германия n-типа. Этот процесс был проще и дешевле, чем выращивание переходов в сплаве, такой транзистор давал меньше сопротивления и поддерживал большие частоты.
Выращенные и сплавные транзисторы
В следующем году Гордон Тил решил вернуться в свой родной штат, и устроился на работу в Texas Instruments (TI) в Далласе. Компания была основана под именем Geophysical Services, Inc., и сначала производила оборудование для разведывания нефтяных месторождений, TI открыла подразделение электроники во время войны, и теперь выходила на рынок транзисторов по лицензии от Western Electric (производственного подразделения лабораторий Белла).
Тил принёс с собой новые навыки, полученные в лабораториях: способность выращивать и легировать монокристаллы кремния. Самой очевидной слабостью германия была его чувствительность к температуре. Подвергаясь воздействию тепла, атомы германия в кристалле быстро сбрасывали свободные электроны, и он всё больше превращался в проводник. При температуре в 77 °C он вообще переставал работать, как транзистор. Главной целью продаж транзисторов были вооружённые силы — потенциальный потребитель с низкой ценовой чувствительностью и огромной потребностью в стабильных, надёжных и компактных электронных компонентах. Однако чувствительный к температуре германий не пригодился бы во многих случаях военного применения, особенно в аэрокосмической области.
Кремний был гораздо стабильнее, однако расплачиваться приходилось гораздо более высокой точкой плавления, сравнимой с точкой плавления стали. Это вызывало огромные трудности, учитывая, что для создания высококачественных транзисторов требовались очень чистые кристаллы. Горячий расплавленный кремний впитывал бы загрязнения из любого тигля, в котором бы находился. Тил с командой из TI сумели преодолеть эти трудности при помощи сверхчистых образцов кремния от DuPont. В мае 1954 на конференции института радиоинженеров в Дайтоне (Огайо) Тил продемонстрировал, что новые кремниевые устройства, произведённые в его лаборатории, продолжали работать, даже будучи погружёнными в горячее масло.
Успешные выскочки
Наконец, примерно через семь лет после первого изобретения транзистора, его можно было изготавливать из материала, с которым он стал синонимом. И ещё примерно столько же времени пройдёт до появления транзисторов, грубо напоминающих ту форму, что используется в наших микропроцессорах и чипах памяти.
В 1955 году учёные из лабораторий Белла успешно научились делать кремниевые транзисторы с новой технологией легирования — вместо того, чтобы добавлять твёрдые шарики примесей в жидкий расплав, они внедряли газообразные добавки в твёрдую поверхность полупроводника (термодиффузия). Тщательно контролируя температуру, давление и длительность процедуры, они достигали точно необходимой глубины и степени легирования. Усиление контроля над производственным процессом дало усиление контроля над электрическими свойствами конечного продукта. Что ещё важно, термодиффузия дала возможность производить продукт партиями — можно было легировать большую плиту кремния, а потом нарезать её на транзисторы. Военные обеспечили финансирование лабораторий Белла, поскольку на организацию производства требовались высокие предварительные траты. Им требовался новый продукт для ультравысокочастотной линии раннего радиолокационного обнаружения («линии Дью»), цепочке арктических радарных станций, предназначенных для обнаружения советских бомбардировщиков, летящих со стороны Северного полюса, и они готовы были выложить по $100 за транзистор (это были времена, когда новый автомобиль можно было купить за $2000).
Легирование вместе с фотолитографией, управлявшей расположением примесей, открыли возможность вытравливать весь контур целиком на одной полупроводниковой подложке — до этого одновременно додумались в Fairchild Semiconductor и Texas Instruments в 1959. «Планарная технология» от Fairchild использовала химическое осаждение металлических плёнок, соединяющих электрические контакты транзистора. Она избавляла от необходимости создания проводки вручную, уменьшала стоимость производства и увеличивала надёжность.
Наконец, в 1960-м два инженера из лабораторий Белла (Джон Аталла и Дэвон Кан) реализовали оригинальную концепцию Шокли транзистора на полевом эффекте. Тонкий слой оксида на поверхности полупроводника смог эффективно подавлять поверхностные состояния, в результате чего электрическое поле из алюминиевого вентиля проникать внутрь кремния. Так родился MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (или МОП-структура, от металл-оксид-полупроводник), который оказалось так легко миниатюризировать, и который до сих пор используется почти во всех современных компьютерах (интересно, что Аталла был родом из Египта, а Кан из Южной Кореи, и практически только эти двое инженеров из всей нашей истории не имеют европейских корней).
Наконец, спустя тринадцать лет после изобретения первого транзистора, появилось нечто, напоминающее транзистор вашего компьютера. Его было проще производить, он использовал меньше энергии, чем плоскостной транзистор, однако он довольно медленно реагировал на сигналы. Только после распространения крупных интегральных схем с сотнями или тысячами компонентов, расположенными на едином чипе, преимущества полевых транзисторов вышли на первый план.
Иллюстрация из патента на полевой транзистор
Полевой эффект стал последним серьёзным вкладом лабораторий Белла в разработку транзистора. Крупные производители электроники, такие, как лаборатории Белла (с их Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse наработали впечатляющий объём исследований полупроводников. С 1952 по 1965 только лаборатории Белла зарегистрировали более двух сотен патентов на эту тему. И всё же коммерческий рынок быстро перешёл в руки таких новых игроков, как Texas Instruments, Transitron и Fairchild.
Ранний рынок транзисторов был слишком маленьким для того, чтобы на него обращали внимание крупные игроки: порядка $18 млн в год в середине 1950-х, по сравнению с общим объёмом рынка электроники в $2 млрд. Однако исследовательские лаборатории этих гигантов служили непреднамеренными тренировочными лагерями, где молодые учёные могли впитывать знания, касающиеся полупроводников, чтобы после переходить к продаже своих услуг менее крупным фирмам. Когда рынок ламповой электроники в середине 1960-х начал серьёзно ужиматься, для лабораторий Белла, Westinghouse и остальных было уже слишком поздно состязаться с выскочками.
Переход компьютеров на транзисторы
В 1950-х транзисторы вторглись в мир электроники в четырёх наиболее значимых областях. Первыми двумя были слуховые аппараты и портативные радиоприёмники, в которых низкое энергопотребление, и, как следствие, долгая работа от батареи, пересиливали остальные соображения. Третьей было военное применение. Армия США возлагала большие надежды на транзисторы, как на надёжные и компактные компоненты, которые можно использовать везде, от полевого радио до баллистических ракет. Однако в первое время их траты на транзисторы больше были похожи на ставку на будущее технологии, чем на подтверждение их тогдашней ценности. И, наконец, были ещё цифровые вычисления.
В компьютерной области недостатки переключателей на электронных лампах были хорошо известны, причём некоторые скептики до войны даже считали, что электронный компьютер не удастся сделать практичным устройством. Когда тысячи ламп собирали в одном устройстве, они пожирали электроэнергию, выдавая огромное количество тепла, а в плане надёжности можно было положиться только на их регулярное выгорание. Поэтому мало потребляющий, холодный и не имеющий нити транзистор стал спасителем компьютерных производителей. Его недостатки как усилителя (к примеру, более шумный выходной сигнал) не представляли такой уж проблемы при использовании его в качестве переключателя. Единственным препятствием была стоимость, и в своё время она начнёт резко падать.
Все ранние американские эксперименты с транзисторными компьютерами происходили на пересечении желания военных изучить потенциал многообещающей новой технологии, и желания инженеров перейти на улучшенные переключатели.
В лабораториях Белла в 1954 году построили TRADIC для ВВС США, чтобы посмотреть, дадут ли транзисторы возможность установить цифровой компьютер на борту бомбардировщика, заменив им аналоговую навигацию и помощь в поиске целей. Лаборатория Линкольна из MIT разработала компьютер TX-0 в рамках обширного проекта ПВО в 1956. Машина использовала ещё один вариант транзистора, поверхностно-барьерный, хорошо подходивший для высокоскоростных вычислений. Philco построила свой компьютер SOLO по контракту с ВМФ (однако реально — по запросу АНБ), закончив его в 1958 (используя ещё один вариант поверхностно-барьерного транзистора).
В Восточной Европе, не настолько обеспеченной ресурсами в ходе Холодной войны, история была совсем другой. Такие машины, как Manchester Transistor Computer, Harwell CADET (ещё одно название, вдохновлённое проектом ENIAC, и зашифрованное написанием задом наперёд), и австрийский Mailüfterl были побочными проектами, использовавшими ресурсы, которые их создатели могли наскрести — включая транзисторы с одной точкой контакта первого поколения.
Идёт множество споров по поводу титула первого компьютера, использовавшего транзисторы. Всё, конечно, упирается в выбор правильных определений таких слов, как «первый», «транзисторный» и «компьютер». В любом случае известно, где история заканчивается. Коммерциализация транзисторных компьютеров началась почти сразу. Год за годом компьютеры за одну и ту же цену становились всё более мощными, а компьютеры одной мощности становились всё дешевле, и этот процесс казался настолько неумолимым, что его возвели в ранг закона, рядом с гравитацией и сохранением энергии. Нужно ли нам спорить о том, какой камушек стал первым в обвале?
Откуда взялся закон Мура?
Приближаясь к окончанию истории переключателя, стоит задать вопрос: что привело к появлению этого обвала? Почему закон Мура существует (или существовал — поспорим об этом в другой раз)? Для самолётов или пылесосов закона Мура нет, как нет его для электронных ламп или реле.
Ответ состоит из двух частей:
- Логические свойства переключателя как категории артефакта.
- Возможность использовать чисто химические процессы для изготовления транзисторов.
Сначала о сути переключателя. Свойства большинства артефактов обязаны удовлетворять широкому спектру неумолимых физических ограничений. Пассажирский самолёт должен выдерживать общий вес множества людей. Пылесос должен уметь засасывать определённое количество грязи за определённое время с определённой физической площади. Самолёты и пылесосы будут бесполезными, если уменьшить их до наномасштабов.
У переключателя же — автоматического переключателя, которого никогда не касалась рука человека — физических ограничений гораздо меньше. У него должно быть два различных состояния, и он должен уметь сообщать другим таким же переключателям изменение их состояний. То есть, всё, что он должен уметь, это включаться и выключаться. Что же такого особенного в транзисторах? Почему другие виды цифровых переключателей не испытали таких экспоненциальных улучшений?
Тут мы подходим ко второму факту. Транзисторы можно изготавливать при помощи химических процессов без механического вмешательства. С самого начала ключевым элементом производства транзисторов было применение химических примесей. Затем появился планарный процесс, устранивший последний механический шаг из производства — присоединение проводов. В результате он избавился от последнего физического ограничения на миниатюризацию. Транзисторам уже не нужно было быть достаточно крупными для пальцев человека — или для любого механического устройства. Всё делала простая химия, на невообразимо маленьком масштабе: кислота для травления, свет для управления тем, какие части поверхности будут противостоять травлению, и пары для внедрения примесей и металлических плёнок на вытравленные дорожки.
А зачем вообще нужна миниатюризация? Уменьшение размера давало целую плеяду приятных побочных эффектов: увеличение скорости переключения, уменьшение потребления энергии и стоимости отдельных экземпляров. Эти мощные стимулы побудили всех заниматься поиском способов дальнейшего уменьшения переключателей. И полупроводниковая индустрия за время жизни одного человека перешла от изготовления переключателей размером с ноготь до упаковки десятков миллионов переключателей на квадратный миллиметр. От запроса восьми долларов за один переключатель до предложения двадцати миллионов переключателей за доллар.
Чип памяти Intel 1103 от 1971 года. Отдельные транзисторы, размером всего в десятки микрометров, уже неразличимы глазом. А с тех пор они уменьшились ещё в тысячу раз.
Что ещё почитать:
- Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
- Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
