Транзисторная революция

Изобретение транзистора (или полупроводника) явилось одним из наиболее революционных событий эпохи персонального компьютера. Переход с вакуумных электронных ламп на транзисторы положил начало процессу миниатюризации компьютеров.

Транзистор представляет собой твердотельный электронный переключатель, заменивший громоздкую, неудобную вакуумную лампу. Поскольку потребляемая транзисторами мощность незначительна, построенные на их основе компьютеры имели гораздо меньшие размеры и отличались более высокой производительностью. Транзисторы состоят главным образом из кремния и германия, а также добавок определенного состава. Проводимость материала зависит от состава введенных примесей и может быть отрицательной или положительной. При соединении материалов разных типов возникает барьер, в результате чего электрический ток течет только в одном направлении.

В 1947 году инженеры монополии Bell (дочерней структуры Bell Labs) Джон Бардин (lohn Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain) изобрели транзистор, который был представлен широкой общественности в 1948 году. Несколько месяцев спустя Уильям Шокли (William Shockley), один из сотрудников компании Bell, разработал улучшенную модель транзистора. В 1956 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики

А компания Bell получила патент и монопольные права на технологию транзисторов. Немецким физикам Герберту Матаре и Генриху Велкеру, которые, работая во Франции, всего полугодом позже самостоятельно изготовили точечный транзистор, пришлось довольствоваться французским патентом и весьма кратковременной известностью, канувшей в небытие.

Появление твердотельных транзисторов, замещающих вакуумные лампы, позволило создавать более мощные вычислительные машины. Сорокавосьмибитный компьютер CDC 1604 состоял из 25 тысяч транзисторов и сотен тысяч резисторов и конденсаторов. Создание компьютера большой мощности сразу выявило проблемы. Компоненты электронных схем соединяли проводами одним-единственным способом – с помощью пайки. Это была трудоемкая и недешевая ручная работа, чреватая многими ошибками. Получилось так, что можно было спроектировать систему любой сложности, но технология ее сборки оказывалась непомерно трудной и дорогостоящей. Проблема получила название «тирания больших чисел», но более правильно назвать ее «проблемой межкомпонентных соединений».

Неэффективные технологии сборки микросхем препятствовали распространению транзисторов на рынке бытовой электроники: им требовались большие объемы и низкие цены.

В мае 1952 года Джеффри Даммер (Geoffrey Dummer) на крупнейшей в США научной конференции, посвященной электронным компонентам, впервые выдвинул мысль о том, что «с появлением транзисторов и полупроводниковых материалов представляется возможным сделать электронное оборудование в едином блоке без соединительных проводов. Блок может быть соединен из изолирующих, выпрямляющих, проводящих и усиливающих слоев, а электронное соединение 6 частей возможно путем вырезания участков из отдельных слоев». Однако осуществить это предложение в те годы было невозможно из-за недостаточного развития технологий.

В том же 1952 году Джек Килби (Jack Kilby), сотрудник компании CentralLab, которая хотела лицензировать технологию транзистора от Bell Laboratory, посещает ее учебный центр, где внимательно вникает во все аспекты работы транзисторов. В1958 году Килби переходит на работу в Texas Instruments, где несколькими годами ранее физик Гордон Тил и физхимик Виллис Эдкок создали первую эффективную технологию изготовления кремниевых транзисторов (до этого их делали только на основе германия). Texas Instruments в это время была производителем транзисторов, конденсаторов, резисторов и прочих «кубиков», из которых собираются электронные схемы.

Идея Килби заключалась в предложении сделать все основные компоненты электросхемы из полупроводников, причем уже соединенными в единую компактную конструкцию, что должно было значительно снизить цену производства. Двенадцатого сентября 1958 года Джек Килби продемонтстрировал работоспособность первой в мире интегральной схемы руководству компании. Первая схема была уродлива, отовсюду торчали золотые провода, но это был первый в мире микрочип. А в феврале 1959 года юристы компании подали документы на широкий патент, из которого застолбить за собой им удалось только так называемый «принцип объединения».

Как обычно бывает, одновременно Роберт Нойс (Robert Noyce) из Fairchild Semiconductors шел к созданию микрочипа с другой стороны. Молодая компания производила транзисторы новейшим по тем временам методом. Но при этом доля отбракованных из-за загрязнений изделий достигала 90 %. Жанн Эрни (Jean Hoerni) предложил защищать кремниевые матрицы от повреждения с помощью тонкой пленки диоксида кремния. Роберт Нойс догадался, что на оксидную пленку можно нанести тонкие полоски меди или иного металла, которые соединят транзисторы, конденсаторы и прочие элементы электронной схемы. А отсюда уже было недалеко до мысли, что и сами эти элементы можно встроить в кремниевую матрицу с помощью избирательного легирования. За шесть месяцев до этого схожая идея осенила Джека Килби. И хотя Нойс пришел к ней с другой стороны, их пути пересеклись.

Патентную заявку юристы Fairchild Semiconductors подали в июле 1959 года, что дало им возможность проанализировать заявку Texas Instruments и выявить слабые стороны. Юристы компании считали, что даже если Texas Instruments удастся получить патент на установку различных компонентов на один чип, Fairchild получит патент на соединение этих компонентов путем печати металлических линий на тонкой пленке, тогда как Texas Instruments соединяла ее с помощью проводов.

Патент Fairchild был выдан в апреле 1961 года, патент Texas Instruments был выдан в июне 1964 года. После миллионов долларов затрат патентная война завершилась лишь в 1966 году мировым соглашением о перекрестном лицензировании технологий.

Инновации рождаются в сотрудничестве и наслаивании небольших изобретений друг на друга: в процессе сотрудничества ученые, вдохновленные идеями других, рождают новые идеи, которые в свою очередь вдохновляют других ученых, – и это делает процесс определения собственника инновации крайне сложным.

Иногда ученые делают это в рамках схемы «open source», и результаты работы становятся общественным достоянием, но в большинстве случаев инноваторы требуют вознаграждения в виде зафиксированной за ними интеллектуальной собственности.