10. О карликах Кремниевой долины

В нашей краткой истории мы уже встречались с самыми разными персонажами, поэтому нас вряд ли что-то может удивить. Это, однако, не повод не задавать вопросы. Например, такой: почему история цифровизации, начавшись в Европе и на Восточном побережье США, вдруг переносит нас в Кремниевую долину? И что забыли здесь Белоснежка с семью гномами? Речь дальше пойдет не столько об отравленных яблоках, сколько о гномах, которые, как мы знаем, все поголовно заняты в горном деле. Любая командная работа влечет за собой оптимизацию и миниатюризацию: глядя на компьютерных монстров древности – «Колосс» или систему контроля воздушного пространства SAGE, – многие задумывались о том, как приручить это огнедышащее и вечно голодное чудовище. Как уменьшить компьютер и при этом заставить его работать еще лучше и стабильнее? Взятый курс на уменьшение, очевидно, увенчался успехом, ведь сегодняшние компьютеры совсем не похожи по своим размерам на готические соборы, и основная заслуга в этом принадлежит дисциплине под названием нанофизика, где слово «нано» образовано от древнегреческого слова «гном». Символично, что тот человек, который внес основной вклад в миниатюризацию компьютеров, не только родился в семье горных инженеров, но еще и перенес нашу историю за семь гор – в долину, которую позже назовут Кремниевой. В Кремниевой долине прошло все детство Уильяма Брэдфорда Шокли (1910–1989). Его родители был золотоискателями, а мать впоследствии стала первой женщиной-начальницей золотого рудника. Мы не знаем, насколько господин Шокли был приятен в личном общении: он остался в истории не как гениальный физик, а скорее как взбалмошный ученый, донор первого в мире банка спермы, любивший рассказывать о всеобщем отупении и считавший чернокожих умственно неполноценными. Но мы все-таки не будем списывать его со счетов, потому что Шокли внес решающий вклад в миниатюризацию компьютера изобретением транзистора, а свою полупроводниковую лабораторию основал в Маунтин-Вью, положив начало Кремниевой долине. Он вернулся сюда с Восточного побережья по очень простой причине: его мать тяжело болела, и он должен был за ней ухаживать. Однако этот переезд еще был и своего рода побегом, потому что всему этому предшествовала история с тремя участниками, которые в той или иной мере совместно изобрели транзистор, но потом заспо рили о размере вклада каждого и переругались.

Почему транзистор – такая важная штука, и при чем тут кремний? Вспомните «линии коммуникации», о которых мы говорили в контексте открытия электричества в начале XVIII века: они реализовались в форме проводной телеграфной, телефонной и радиосвязи. Чем длиннее становились эти провода, тем сильнее затухал сигнал, растворяясь в шумах – ровно поэтому в 1912 году самая длинная телефонная линия на аме от Нью-Йор риканском континенте проходила лишь до Денвера. Решением проблемы затухания стали электронные лампы: устанавливаемые определенным образом вдоль телефонных линий, они усиливали сигнал и так обеспечивали наземную коммуникацию. Благодаря этому открытию уже к середине двадцатых годов мир опоясала огромная сеть телефонных линий, а усиленные электронными лампами радиоволны достигали самых отдаленных уголков страны.

Однако электронные лампы потребляют большое количество энергии и сравнительно недолговечны, поэтому ученые принялись искать им альтернативу. Их взгляд упал на кремний, открытый в 1807 году Хамфри Дэви и нашедший применение в радиотехнике в качестве приемника и усилителя сигналов. Усиление действительно работало, однако никто толком не понимал, как именно этому способствует загадочный химический элемент, не относившийся ни к проводникам, ни к изоляторам. Другое дело, что подобное промежуточное положение, судя по всему, было его главным преимуществом, ведь это позволяло создать переключатель, блокирующий или пропускающий ток в зависимости от внешних обстоятельств – иными словами, конструктивный элемент, способный принимать одно из двух логических состояний и тем самым заменяющий классические перфокарты. Для телефонных операторов такая автоматизация открывала большие перспективы, так как позволяла отказаться от телефонисток, вручную соединявших абонентов: сеть постоянно развивалась, с ней росло и количество сотрудниц, а расчеты показывали, что при неизменном росте популярности телефона на эту работу вскоре потребуется привлечь половину всех женщин Америки.

Именно поэтому компания AT amp;T, главный телефонный оператор США, создала Bell Labs, Лаборатории Белла – исследовательское учреждение, где самые светлые головы страны трудились над тем, чтобы заменить телефонисток чем-то более эффективным. И вот тут в игру снова вступает кремний, этот загадочный элемент между двух миров. Атом кремния можно представить себе в образе небольшого четырехрукого монаха, каждой руке которого соответствует по одному электрону.

Атом, конечно, не один в пространстве, а сцепляется с себе подобными, образуя своего рода решетку – как если бы эти монахи держали друг друга за руки.

Что происходит, если добавить в эту группу монахов инородное тело? Свойствами атомов кремния можно управлять, если легировать их, то есть ввести им дозу другого атома. Скажем, если добавить в эту группу пятивалентный атом (например, фосфор), то он окажется донорной примесью: один из его электронов будет отдан кристаллу, а сам атом окажется положительно заряженным. Если же добавить в группу атомов кремния трехвалентный атом (например, алюминий, мышьяк или бор), то образуется дырка, и это будет акцепторная примесь: попадая в дырку, свободный электрон будет изменять заряд атома примеси на отрицательный.

Таким образом мы как бы «меняем полюса местами» или, иными словами, управляем состоянием транзистора: «минус» или «плюс», 0 или 1.

Звучит просто, хотя это вполне себе квантовая механика. Уильям Шокли – признанный специалист в этой области, поэтому именно ему поручают подобрать исследователей в Лаборатории Белла. Тут впору вспомнить семь гномов: в одной команде нужно собрать металлургов, физиков, химиков и математиков. У Шокли прекрасное чутье на таланты, и он приглашает в лабораторию настоящих корифеев своей области – математика Джона Бардина и физика-экспериментатора Уолтера Браттена. Вначале работа спорится, но потом исследователи понимают, что предложенная Шокли концепция не работает.

Идея Шокли выглядит следующим образом: над кристаллом кремния (на следующей странице он изображен в виде ящика) находится тонкая пластина из алюминия, на которую от батареи подается напряжение. Теоретически находящиеся в пластине электроны должны в этот момент начать проникать в кремний, но этого не происходит. Желаемый эффект, позволяющий управлять зарядом атомов кремния, не наступает. Целый год Бардин и Браттен экспериментируют с самыми разными материалами, пока на поверхность полупроводника однажды случайно не падает капля воды. Тут они понимают, в чем была загвоздка: сама поверхность кристалла образует своего рода защитный слой, препятствовавший проникновению электронов внутрь, а вода его разрушает. Это прорыв в полном смысле этого слова: после того как Браттен соскабливает верхний слой и вводит внутрь кристалла золотой стержень, ученым удается перенести электроны внутрь кремния и добиться взаимодействия. Транзистор готов!

Обрадованные Бардин и Бриттен сообщают об успехе своему начальнику. Шокли вроде бы и рад, однако в то же время расстроен тому, что вместо его гениальной концепции сработало совершенно другое решение: совсем как злая королева, которой волшебное зеркальце сообщает, что красивее всех на свете не она, а ее неизвестная конкурентка за семью горами. Раздосадованный Шокли садится строить коварный план. Втайне от коллег он создает новую конструкцию транзистора – теперь он похож на знакомую вакуумную трубку, но уменьшен во много раз, – а Бардину и Бриттену запрещает работать над этой темой, ведь все лавры должны достаться только Шокли. Как и в сказке, этот трюк не остается безнаказанным. Его заявку на изобретение отклоняют, а патент записывается на имя его сотрудников, предложивших более удачное решение. Внешние наблюдатели рассматривают всех троих ученых как сплоченный коллектив (их совместно даже награждают Нобелевской премией), однако личные отношения Шокли с коллегами сильно подпорчены.

Транзистор, тем временем, начинает свою победную поступь по планете. Вместо того, чтобы сидеть дома у громоздкого лампового радиоприемника как у семейного алтаря, люди носят с собой маленькие транзисторные приемники. Всюду – и на пляже, и в пустыне – играет музыка, а музыканты начинают использовать транзисторы для звукоусиления (настоящий кошмар для Браттена, который до конца своих дней не смог простить себе, что благодаря его изобретению на свет появился рок-н-ролл).

В 1955 году Шокли – звезда мировой величины. Славы он уже добился, теперь дело за богатством: именно поэтому он переезжает в Пало-Альто и открывает здесь свою лабораторию. В его планы, конечно, не входит создание персонального компьютера; навязчивое стремление быть первым наводит его на мысль перевести на транзисторы весь американский военно-промышленный комплекс. Момент выбран крайне удачно: кремния вокруг – как песка на пляже, а транзистор уже заслужил репутацию устройства будущего. На этом же принципе основана схема работы солнечной батареи, и в 1959 году восхищенной публике представляют первый транзисторный радиоприемник, питающийся энергией солнца. Шокли помнит о том, как обжегся на патентных спорах, поэтому ищет для своей лаборатории только молодых и покладистых сотрудников. Тот факт, что она находится за семью горами на «Диком западе», вряд ли представляет собой проблему, скорее наоборот – земля дешевая, климат мягкий, солнце светит. Хэдхантерский талант Шокли здесь снова проявляется во всей красе.

Одним из первых он приглашает на работу 28-летнего Роберта Нойса. Нойс – сын священника, выходец из городка Гриннел, штат Айова, это глухой Средний запад страны. В его доме не было места утонченности, но ценилось образование, искренность и трудолюбие – совсем как у других пионеров компьютерной техники. Воспитанный на таких идеалах, Роберт с самого детства относился к своим начинаниям со всей серьезностью. В 12-летнем возрасте он увидел в журнале Popular Science чертеж воздушного змея и решил во что бы то ни стало поднять его в воздух. Он привлек к изготовлению соседского мальчишку, а затем забрался на крышу сарая, разбежался и прыгнул вниз вместе со змеем, потом поднялся на ноги и во весь рот улыбнулся, не обращая внимания на ссадины. Сдаваться Роберт не привык, поэтому привязал змея к машине и сам сел за руль, чтобы всё-таки заставить свое творение взлететь. С тех пор будущий сооснователь Кремниевой долины шел по жизни с девизом, который нашил на лацкан своего пиджака – No guts, no glory, «Кто не рискует, тот не пьет шампанского». Этот полный кипучей энергии симпатичный молодой человек мог стать успешным спортсменом или актером (между прочим, он учился в одной школе с Гэри Купером), но заинтересовался физикой благодаря одному счастливому случаю. Его учитель физики в Гриннел-Колледже узнал о транзисторе из газеты, с удивлением выяснив, что один из изобретателей, Джон Бардин, – его одноклассник. Завязалась оживленная переписка, и Бардин посвятил приятеля в подробности конструкции транзистора, поэтому Гриннел-Колледж стал одним из первых учебных заведений, где школьникам преподавались азы этой революционной технологии. Нойс был прилежным учеником и быстро постиг эту материю, что в итоге и привело его в лабораторию Шокли вместе с Гордоном Муром и шестью другими исследователями.

Вскоре, однако, оказалось, что работать у Шокли – совсем не сахар. Вообще-то Нойс должен был что-то заподозрить с самого начала, когда Шокли подверг всех новых сотрудников тестированию на IQ по собственной методике, но причуды начальника поначалу компенсировались радостью от интересной и напряженной интеллектуальной работы. Тем не менее паранойя Шокли усиливалась и достигла апогея как раз после того, как ему – вместе с его заклятыми друзьями Бардином и Браттеном – вручили Нобелевскую премию. Теперь ему везде виделись интриги, поэтому он начал регулярно проводить проверки своих подчиненных на детекторе лжи, якобы для борьбы с промышленным шпионажем. Вскоре все эти издевательства стали совсем невыносимыми, и самые способные сотрудники лаборатории решили уходить в свободное плавание, обратившись к частному инвестору. Видеть во главе новой компании они хотели только Роберта Нойса. Сам Нойс всегда чувствовал себя обязанным Шокли, но в итоге – одним из последних – тоже переметнулся к заговорщикам. Инвестор Шерман Фэйрчайлд настоял на своей кандидатуре директора, но поставил Нойса во главе отдела исследований (директор, впрочем, продержался недолго, уступив свое место тому же Нойсу). Так началась история компании Fairchild Semiconductors. Освободившись от гнета деспотичного основателя, новая компания быстро добилась успеха, а Шокли через некоторое время вообще отошел от дел и вернулся к преподаванию в вузе.

Роберт Нойс видел себя не начальником, а первым среди равных, что благотворно сказалось на рабочей атмосфере. Всего за несколько месяцев Fairchild вывела свой транзистор на рынок, а спустя год инвестор воспользовался своим преимущественным правом и выкупил компанию у основателей. Момент был выбран крайне удачно: Нойс и Мур всегда могли бы заполучить оборонные заказы, но из этических причин предпочли более трудный путь массового производства. Для создания транзистора предстояло разобраться со сложными проблемами в области металлургии, химии и квантовой механики, но еще более трудной задачей стала организация производственного цикла для изделий размером в несколько микрон – тоньше человеческого волоса. Чтобы изготавливать транзисторы в промышленных масштабах, необходимо было полностью исключить ручной труд. Один из сотрудников компании Жан Эрни раньше уже предлагал плоские транзисторы, все подвижные части которых были спрятаны внутрь кристалла, однако Нойс хотел пойти еще дальше и попытался упростить устройство, сделав его полностью монолитным. Начертив множество набросков подобной интегральной микросхемы в своей записной книжке, он пришел к выводу, что она реализуема. Услышав, что Джек Килби из компании Texas Instruments разработал прототип германиевой схемы, Нойс принял решение идти тем же путем. Он понимал, что такие микросхемы будут не только дешевле в производстве за счет устранения человеческого фактора, но и совершат революцию в огромном сегменте рынка, ведь они могли быть программируемыми, а значит, сфера их применения ничем не ограничивалась.

В марте 1959 года сотрудники Fairchild начали работать над этой задачей под руководством Жана Эрни и Гордона Мура, который вырос до руководителя отдела исследований и разработок. Уже в 1960 году первая интегральная микросхема была готова. Она была невелика и имела всего шесть транзисторов (в современных чипах их может быть несколько миллиардов), однако и такая конструкция позволяла существенно сократить размеры вычислительных монстров того времени. Продуктом в первую очередь заинтересовались разработчики NASA, которые загорелись идеей оборудовать свои космические корабли более легкой электроникой. Нойс действительно мыслил на несколько шагов вперед: он был убежден, что по мере роста плотности транзисторов на схеме расширится и палитра возможных применений, а с ней вырастет прибыль компании. В середине шестидесятых годов он к ужасу своих сотрудников заявил, что Fairchild будет продавать свои чипы дешевле, чем стоила их сборка. Удивительным образом такая самопоглощающая бизнес-модель оказалась крайне успешной: некоторое время компания действительно работала в ноль, но благодаря этому снизилась стоимость производства, и количество клиентов начало расти лавинообразно. В каком-то смысле это предложение и явилось причиной того явления, которое несколько лет спустя описал соратник Нойса Гордон Мур: производительность процессоров удваивается каждый год. Этот принцип сегодня известен нам как закон Мура.

После взрывного роста в конце шестидесятых годов Fairchild столкнулась с финансовыми проблемами, а между инвесторами с Уолл-Стрит и расслабленными калифорнийскими хиппи-учеными начались трения. Стороны решили расстаться, но в этот раз Нойс и Мур смогли найти финансирование для своего предприятия меньше чем за двое суток. Название новой компании должно было отражать торжество чистого разума, поэтому создатели решили не упоминать ни имени инвестора, ни своих имен, а сделать название кратким и емким. Им приглянулся вариант Intel – в нем было и сокращение от integrated electronics («интегральная электроника»), а еще и намек на искусственный интеллект. Молодой Intel удалось громко заявить о себе, как в свое время и Fairchild: в 1971 год компания представила первый в мире микропроцессор, разработанный с помощью итальянского электротехника Федерико Фаджина и явившийся логическим продолжением идеи интегральной микросхемы. В микросхеме все элементы транзистора закреплены на твердой плате, в микропроцессоре объединены все необходимые компоненты: память, часы, а также сектора программ и данных. Это делало его автономным компьютером, способным в зависимости от загруженной в него программы управлять любой техникой – стиральными машинами, карманными калькуляторами, кассовыми аппаратами, цифровыми часами или лифтами. Через три года чипы были впервые установлены даже в автомобилях, а там было рукой подать и до персонального компьютера.

Если вспомнить об ангелах, танцующих на острие иголки и перемещающихся по свету с бесконечно большой скоростью, то можно сказать, что компьютерный чип стал своего рода копией неба на земле. С его появлением стало возможным со скоростью света передать любой оцифрованный объект на другой конец мира и любое количество раз скопировать его, а нужное для всего этого устройство умещается на ногте указательного пальца, если не на острие иголки. Когда в 1984 году Роберт Нойс в одном из выступлений рассказывал историю своей деятельности, он провел аналогию с автомобильной промышленностью: если бы в последней случилась такая же революция, какую произвели чипы, то автомобиль должен был бы стоить всего четверть доллара, поездка через весь континент была бы бесплатной, а проблема с парковками в Нью-Йорке вообще решилась бы сама собой, ведь, приехав в Нью-Йорк, водитель мог бы просто взять автомобиль и положить его себе в карман.