История Роберта Нойса: создателя интегральных схем и основателя Intel
Практически все современные электронные устройства вроде смартфонов, мониторов или компьютеров содержат десятки и сотни крошечных интегральных микросхем. Микропроцессоры, преобразователи и усилители сигналов, память и так далее — всего и не перечесть.
Наш сегодняшний рассказ — о человеке, который приложил руку к созданию ИС, получил прозвище «мэр Кремниевой долины» и вдобавок основал крупнейшую в мире компанию по производству процессоров.
Ранние годы
Роберт Нортон Нойс родился 12 декабря 1927 года в семье священнослужителей. И отец Ральф Брюстер Нойс, и мать Гарриет Мэй Нойс проповедовали слово Божие в местном прихода Берлингтона, штат Айова. Примечательно это тем, что Роберт Нойс и двое его братьев в будущем пошли по пути науки и техники, став «воинствующими агностиками». Возможно, чрезмерная религиозность родителей, напротив отвадила юные умы от пути служения Всевышнему — кто знает.
Способности Роберта проявились в нежном 12-летнем возрасте, когда он вместе с младшим братом собрал сначала модель большого самолета, а после — уже самостоятельно — первый радиоприемник. На что, по воспоминаниям Роберта, его родители смотрели с явным неодобрением, ожидая, что мальчик пойдет по пути богослова.
В старших классах Нойс стал звездой школы в области математики и естественных наук: с блеском решал задачи любой сложности и легко поступил на физический факультет в Гриннелл-колледж.
При этом парень в буквальном смысле не мог усидеть на месте и все время стремился чем-то заниматься. А когда полезные дела вроде изучения физики заканчивались, куролесил по полной. Например, на первом курсе Роберт украл свинью не у кого-нибудь, а у самого мэра Гриннелла, самолично зарезал и зажарил ее на студенческом празднике. Студенту грозило не только исключение, но и год тюрьмы, однако профессор Грант Гейл, президент колледжа, заступился за талантливого ученика, и дело закончилось штрафом и отстранением на пару недель.
Ближе к концу обучения, в 1949 году, тот самый профессор физики Грант Гейл, имевший связи в Bell Labs через его президента Оливера Бакли, сумел раздобыть два первых транзистора, еще не доступных массовой публике. И когда он продемонстрировал их работу 18 студентам, среди которых был и Роберт Нойс, последний испытал настоящий шок от увиденного. Вместо привычных для него громоздких и хрупких радиоламп, которые требовали много места и ломались, Нойс увидел крошечное устройство — транзистор, который был во много раз меньше, надежнее и при этом не уступал радиолампам по характеристикам. Этот момент произвел на него глубокое впечатление и стал поворотным в его карьере.
Заметив, как сильно Роберт Нойс заинтересовался транзисторами, профессор Грант Гейл посоветовал ему поступить в Массачусетский технологический институт (MIT). Гейл считал, что будущее за миниатюризацией и улучшением электронных устройств, и в MIT Нойс сможет лучше развить свои таланты в этой области. Роберт прислушался к совету профессора и решил связать свою жизнь с микроэлектроникой. В 1953 году он получил степень по физике и начал искать первую работу в области «транзисторостроения».
Роберт Нойс во время учебы в Массачусетском технологическом
И предложений поработать было хоть отбавляй — ведущие лаборатории стремились заполучить как можно больше молодых людей со светлыми головами и двигать направление полупроводников дальше. Нойсу предлагали работу Bell Laboratories, IBM, RCA и Philco, и он выбрал последних.
Все изменилось в 1955 году, когда суперзвезда того времени и кумир Нойса, создатель первого транзистора Уильям Шокли, покинул Bell Labs и основал предприятие Shockley Semiconductor Laboratory, чтобы самостоятельно исследовать и производить полупроводниковые элементы на основе германия и кремния.
Уильям Шокли вместе с коллегами Бардином и Браттейном в лаборатории Bell
Шокли также активно искал таланты по всей стране и обратил внимание на работу Нойса в Philco. Когда последний получил приглашение работать вместе со своим кумиром в Маунтин-Вью в солнечной Калифорнии, то просто не смог отказаться. В 1956 году Роберт Нойс пополнил команду, которая стала первой высокотехнологичной компанией в этом районе. Позже термин «Кремниевая долина» появился во многом благодаря именно Shockley Semiconductor Laboratory.
Идея туннельного диода и разрыв с Шокли
Забегая вперед: Роберт Нойс проработал в компании Шокли всего один год, после чего покинул ее с огромным скандалом. Одной из причин этого разрыва стало то, что Шокли не допускал мысли, что его сотрудники могут придумать что-то действительно инновационное. Вместо этого он требовал сосредоточиться на развитии своих собственных идей.
Однако, как сам Нойс рассказал на симпозиуме MIT по инновациям в декабре 1976 года, еще в 1956 году он описал идею туннельного диода — за год до того, как Лео Эсаки, удостоенный за это Нобелевской премии в 1973 году, опубликовал свою работу.
Суть заключалась в следующем: существует обычный диод, принцип работы которого применялся и в транзисторе Шокли, где в качестве полупроводника используется, например, германий.
В классическом варианте проводимость достигается за счет добавления двух типов примесей. Добавили в кристаллическую решетку нужное количество одного типа, и вот уже на внешних орбиталях больше электронов, чем у обычных атомов германия. Они становятся избыточными и доступными для проводимости — получаем n-тип. Добавив же другую примесь (точнее легировав), можно получить обратную картину — на внешних орбиталях атомов германия будет меньше электронов (дырок), p-тип. Эти атомы с удовольствием примут лишние электроны у n-типа.
В диоде два типа примесей контактируют на границе, называемой p-n переходом. Здесь создается так называемая запрещенная зона — барьер, препятствующий неконтролируемому переходу электронов в обычном состоянии. Если приложить плюс к стороне с p-проводимостью, а минус — к n-проводимости, то при определенном напряжении через диод потечет ток. Приложим больше напряжения, получим больше тока. Поменяем полярность, и ток не будет протекать до «напряжения пробоя».
ВАХ (вольт-амперная характеристика) обычного диода и туннельного
Роберт Нойс сделал поразительное предсказание. Если увеличить концентрации примесей в тысячи раз (сделать его «вырожденным») и приложить к такому диоду прямое напряжение, то ток на определенном участке ВАХ будет увеличиваться с большей скоростью, чем в обычном диоде. А при дальнейшем увеличении напряжения ток внезапно начнет уменьшаться — появится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Здесь и проявляется магия квантового мира — эффект туннелирования, когда электроны преодолевают барьер с большей энергией, чем обладают сами. Такие свойства дают намного большую частоту переключения, чем в обычных диодах, и позволяют усиливать более высокочастотные сигналы. Подробное описание работы туннельного диода приведено в этой статье.
Нойс обсудил свои идеи с другом Гордоном Муром (тем самым, что сформулировал знаменитый закон Мура). И обоим это показалось очень перспективным. Однако когда Роберт показал свои записи Шокли, тот «не проявил никакого интереса к идее». Создатель транзистора посчитал, что сотрудник взял на себя слишком много, отказался исследовать вопрос глубже и призвал сосредоточиться на четырехслойном диоде (его еще называют диодом Шокли). Разочарованный Нойс забросил идею и перешел к другим проектам, затаив обиду.
Заметки Нойса, которые он продемонстрировал только в декабре 1976 года
Спустя год с небольшим японский исследователь Лео Эсаки пришел к той же концепции и создал работающий прототип, который демонстрировал туннельный эффект во всей красе. Его статья «Новое явление в узких p-n переходах германия», опубликованная в журнале Physical Review в январе 1958 года, произвела фурор в мире физиков. И как мы писали выше, привела к тому, что Эсаки получил Нобелевскую премию в 1973 году. Отдельно этот случай подробно описывается в статье Лесли Берлин и Х. Крейга Кейси-младшего для журнала IEEE.
В сентябре 1957 года Роберт Нойс, Говард Мур и еще шесть выдающихся ученых покинули Shockley Semiconductor Laboratory, чтобы основать собственную компанию Fairchild Semiconductor. Фирма Шокли через несколько месяцев закрылась, а ушедшие получили прозвище «Восьмерка предателей».
Фотография «восьмерки» в первые годы Fairchild Semiconductor
Появление интегральных микросхем
Fairchild Semiconductor открыла свою фирму в двухэтажном складском здании, всего в 12 кварталах от офиса Shockley Semiconductor Laboratory, и активно искала пути для развития. Одним из главных направлений Роберт Нойс видел в удешевлении транзисторов — на базе германия они все еще оставались дорогими.
Нойс предложил заменить основной материал на кремний: он значительно дешевле, поскольку производится из доступного кварцевого песка. Его смешивают с коксом и помещают в печь с температурой до 1700–1800 °C. После чего из технического кремния выращивают монокристаллический высокой частоты, например, при помощи метода Чохральского. В идеале Нойс предполагал, что компоненты станут настолько дешевыми, что их будут просто выбрасывать, когда они выйдут из строя.
Спустя несколько месяцев в Fairchild Semiconductor создали первую модель транзистора на кремниевой подложке 2N696 с коэффициентом усиления 30 и разместили рекламу в журнале Electronics в 1958 году. Этим заинтересовались IBM — они приобрели первую партию из 100 транзисторов по 150 долларов за штуку для оснащения бортового компьютера в бомбардировщике B-70. Следующая партия транзисторов 2N697 с большим коэффициентом усиления была продана компании Autonetics: они уже предназначались для систем наведения баллистической ракеты «Минитмен».
Первая реклама кремниевых транзисторов. В честь них в «Кремниевой долине» даже установили памятник рядом со скульптурой диода Шокли
В 1958 году еще один Жан Амеде Эрни, еще один перебежчик из фирмы Шокли, разработал инновационный метод производства транзисторов на кремниевой подложке. Вдохновившись докладом Мохаммеда Аталла из Bell Labs про пассивацию диоксидом кремния поверхности кремния, он разработал планарную технологию. Она позволяла изготавливать более надежные транзисторы за счет того, что слой p-n перехода меньше подвергался загрязнению и обладал лучшими характеристиками: например, меньшим током утечки.
Дополнительно сам процесс производства становился намного более дешевым. Fairchild представила планарный транзистор 2N1613 в апреле 1960 года и получила патенты на технологию производства. В результате конкуренты были вынуждены перейти на новый метод. Например, Philco закрыли целый завод по производству германиевых PADT (Post-alloy diffused transistor) транзисторов.
Упрощенная схема биполярного NPN-транзистора по планарной технологии. Переходы защищены диоксидом кремния и не контактируют с воздухом
В тот момент Роберту Нойсу пришла в голову еще одна гениальная идея, которая стала основой для создания современных интегральных схем. Эта идея была крайне актуальна, так как для практических целей часто требовались целые платы: схемы, построенные на нескольких транзисторах и других компонентах вроде конденсаторов и резисторов. Однако у транзисторов есть свои ограничения по размеру: их можно делать маленькими, но соединение их в сложные разветвленные цепи оставалось трудоемким процессом. Как же можно было соединять их на промышленных масштабах? Проводами? А как обеспечить их изоляцию? Все эти вопросы требовали решения.
Нойс понял, что если бы удалось объединить все эти компоненты в одну единую, выращиваемую на подложке плату небольшого размера, то это нашло бы широкое применение.
В это же время, в 1958 году, инженер Texas Instruments Джек Килби пришел к похожему заключению. Он подумал, что можно создать из полупроводника не только транзистор, но и остальные необходимые элементы, разместив их на единой подложке. Изучив вопрос и посоветовавшись с руководителем, Килби приступил к работе летом 1958 года. 28 августа был завершен первый прототип интегральной схемы на германиевом полупроводнике — это был RC-генератор с фазовым сдвигом на одном транзисторе. А 19 сентября ему удалось создать более сложную схему триггера на двух транзисторах.
Оригинальная интегральная схема Килби
Он запатентовал свою технологию 2 февраля 1960 года. Поначалу особого интереса она не вызвала, пока ее не предложили ВВС США. Те заинтересовались и разместили заказ на 100 штук для своих целей. В апреле 1960 года Texas Instruments анонсировала первую интегральную схему TI 502 массового производства. Она содержала два транзистора, четыре диода, шесть резисторов и два конденсатора, расположенные на двух полосках полупроводника. Компоненты соединялись золотыми проводниками. Первоначальная стоимость одной ИС составляла 450 долларов, но к моменту выпуска партии она довольно существенно выросла.
Слева — изображение из патента Килби, демонстрирующую схему работы, справа — схема первой в истории массовой интегральной схемы TI 502
Однако схема Килби не решала проблему соединения и изоляции и, по сути, представляла собой гибридную интегральную схему. Кстати, вопрос изоляции p-n перехода пытался решить в 1958 году другой первопроходец — Курт Леговец из Sprague Electric Company. Он заключался в том, чтобы окружить компоненты (транзисторы, резисторы и конденсаторы) полупроводниковым материалом, легированным противоположным типом примеси. Если подключить его к напряжению, вокруг компонентов образуется слой из обратно-смещенного p-n перехода, который будет выступать отличным изолятором. Леговец получил патент на свое изобретение, однако руководство не заинтересовалось идеей.
Схема трехкаскадного усилителя, защищенного обратно-смещенным p-n переходом
Роберт Нойс внимательно следил за разработками коллег и понимал их недостатки. В январе 1959 года, сразу после успешного применения планарной технологии для изготовления кремниевых транзисторов, его посетила идея соединить все наработки воедино.
Можно вырастить все компоненты на кремниевом кристалле, изолируя их с помощью метода, аналогичного предложенному Леговецом, который основан на использовании pn-переходов. Для соединений можно применить инновационный метод нанесения металлических дорожек вакуумным напылением поверх оксидного слоя, что позволит сохранить его целостность. При этом производить транзисторы можно большими партиями, в отличие от схем, предложенных Килби.
Нойс выделил группу инженеров Fairchild Semiconductor под руководством Джея Ласта в августе 1960 года, и после нескольких месяцев работы все идеи удалось реализовать. Первое устройство было представлено 27 сентября 1960 года и представляло собой триггер, построенный на четырех транзисторах и пяти резисторах на кристалле кремния толщиной 80 мкм. Это была первая в мире монолитная интегральная схема.
Слева — одна из первых версий кристалла с алюминиевыми дорожками, справа — фотография из журнала LIFE: первая интегральная схема Fairchild Semiconductor рядом с монетой в 10 центов
Примечательно, что патенты Нойса и Килби были поданы независимо друг от друга. В результате после их получения между Texas Instruments и Fairchild Semiconductor произошел патентный спор, который позже был урегулирован в досудебном порядке.
В 1961 году Fairchild Semiconductor представила на выставке IRE Show серию интегральных схем µLogic, в рамках которой было реализовано несколько вариантов триггеров. После этого они стали активно продаваться для разных задач. Например, разработанные Fairchild Semiconductor интегральные схемы использовались в компьютере Apollo Guidance Computer, который управлял лунными модулями.
В 1961–1966 годах Fairchild Semiconductor занимали вторую строчку по продажам полупроводниковых схем в мире, после Texas Instruments (которые, кстати, быстро переключились на планарную технологию изготовления). Третью строчку занимала Motorola.
В 1967 году продажи компании и ее капитализация резко обвалились: во многом из-за того, что микросхемы Texas Instruments, построенные на основе TTL (транзисторно-транзисторная логика), стали популярными после выхода семейства SN7400. Многие продаваемые микросхемы Fairchild Semiconductor работали на RTL (резисторно-транзисторной) и DTL (диодно-транзисторной) логике и имели меньше вариантов реализации и меньшее быстродействие.
В 1968 году Нойс вместе с Гордоном Муром и еще одним членом «Восьмерки» Энди Гроувом покинули Fairchild Semiconductor, чтобы основать Intel на деньги инвестора Артура Рока. Рекомендуем почитать большое интервью Роберта Нойса 1976 года, посвященное изобретению интегральных схем.
Создание компании Intel
Первоначально Нойс и Мур решили назвать компанию не Intel, а просто и со вкусом: Moore Noyce. Но Гроув заметил, что это очень похоже на more noise, «больше шума». Как-то не очень вдохновляюще для компании, производящей электронную продукцию? Тогда 18 июля 1968 года они зарегистрировали компанию с названием NM Electronics (от первых букв фамилий), но к концу месяца изменили на более энергичное и привычное нам Intel.
Основатели Intel слева направо: Гроув, Нойс и Мур
Вместо производства логических интегральных схем основатели решили пойти по другому пути и сосредоточиться на разработке полупроводниковой памяти. На тот момент она уже была на рынке: в 1961 году первую плату биполярной памяти представила Texas Instruments. А в 1966 году IBM выпустила 16-битную SP95. Да и в самом Fairchild Semiconductor по этому вопросу велась активная разработка.
Микросхема памяти IBM
Но в сравнении с доминирующей памятью на магнитном сердечнике она была примерно в 100 раз дороже. Именно это и хотел исправить Роберт Нойс: сосредоточиться при этом не только на удешевлении, но и на повышении производительности.
В 1969 году Intel выпускает свою первую продукцию — 64-битную биполярную SRAM 3101, построенную на диоде Шоттке. Это давало отличную скорость время доступа 60 нс — вдвое быстрее аналогов.
Два месяца спустя появилась 256-битная микросхема SRAM 1101, в которой впервые массово использовали технологию МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистора с кремниевым затвором — MOSFET, с гораздо более высокой плотностью кристаллов в корпусе. Да, она потребляла до 1 Вт, и технологию МОП придумали еще в Bell Labs в 1959 году. Но найти способ массового производства, чтобы «упаковать» столько элементов, до этого не удавалось.
Именно за счет высоких продаж этих двух микросхем Intel инвестировал все больше в производство и найм ведущих инженеров отрасли. И следующий их продукт стал не менее революционным, чем МОП с кремниевым затвором.
В октябре 1970 года Intel представила первую динамическую память с произвольным доступом — DRAM 1103, с тремя PMOS-транзисторами на ячейку. С учетом того, что таких ячеек было 1024, помещенных в компактный и привычный нам сейчас DIP-корпус, а стоимость составляла всего 21 доллар — это фактически убило память на магнитных сердечниках. Она быстро стала самым продаваемым полупроводниковым чипом в мире: ее стали производить такие крупные игроки, как Microsystems International, National Semiconductor, Signetics и Synertek. К июню 1974 года было продано 250 000 микросхем.
Это быстро сделало менеджмент компании мультимиллионерами после IPO в октябре 1971 года: Нойс, Мур и Гроув владели по 245 000 акций при цене по 23,5 доллара за акцию. При этом стиль управления в Intel был уникальным: топ-менеджмент избегал дорогих корпоративных автомобилей, зарезервированных парковочных мест, частных самолетов, дорогой мебели и прочих характерных атрибутов. Зато каждый был глубоко погружен в производственный процесс.
Роберт Нойс лично курировал два других революционных проекта: EPROM память и микропроцессор. Первый появился в октябре 1971 года — 2048 бит, информацию в котором можно было стереть, посветив ультрафиолетом через кварцевое окно.
И наконец, в конце 1971 года (просто вообразите, сколько всего инновационного было выпущено всего за пару лет) на свет появляется легендарный 4004 — первый в истории микропроцессор на PMOS технологии. Имел 4-битную архитектуру и поддерживал 45 инструкций со скоростью 10.8 мкс на одну инструкцию. При этом все умещалось в компактный корпус DIP16, а само устройство стоило всего 60 долларов. Оно позволило заменить используемые в то время сборки на «жесткой» логике и получить невиданную компактность. По сути это был решающий шаг к появлению микрокомпьютеров.
Чипы 4004, позже замененные на 4040 в 1974 году, стали использоваться повсеместно: измерительные приборы, калькуляторы, радиостанции и еще много где. 1 апреля 1972 года Intel выпустила не менее легендарный 8008 и с этого момента не теряла лидерства в области микропроцессоров (ну разве что в последние годы начались проблемы, но это — тема отдельной дискуссии).
Про дальнейшую историю развития Intel есть огромное количество статей и литературы — прежде всего стоит почитать книгу «Intel. Как Роберт Нойс, Гордон Мур и Энди Гроув создали самую влиятельную компанию в мире». Но вернемся к теме статьи — самому Роберту Нойсу.
Хотя он и не получил Нобелевскую премию за идею туннельного диода, он еще при жизни получил множество наград и даже почетный титул «мэра Кремниевой долины». Вряд ли кто-то еще способствовал такой популяризации кремниевых полупроводников, как Нойс, имевший 15 патентов в этой области.
Роберт Нойс получает награду из рук президента США Джимми Картера
Роберт Нойс отошел от управления Intel вместе с Говардом Муром в 1987 году — компанию возглавил Энди Гроув и продолжил приводить ее к величию. В 1988 году, в возрасте 61 года, он стал президентом компании Sematech — консорциум, который представлял собой партнерство между правительством США и 14 американскими производителями полупроводников (в том числе, разумеется, Intel) для решения общих производственных проблем.
Однако все инициативы он не успел реализовать. 3 июня 1990 года Роберт Нойс внезапно скончался от сердечного приступа. И когда его главный конкурент в деле всей жизни — изобретении интегральных схем, Джек Килби получил в 2000 году Нобелевскую премию, все причастные понимали: рядом с ним должен стоять и Роберт Нойс. Однако согласно параграфу 4 устава Нобелевского фонда, премию не могут вручать посмертно.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
