Изобретение интегральных схем

В 1958 г., через одиннадцать лет после того, как ученые из Лабораторий Белла заново изобрели транзистор, стало очевидно, что полупроводники сумеют завоевать рынок электроники только в том случае, если их удастся сделать намного миниатюрнее. Прогресс невозможен, если паять схемы вручную из отдельных компонентов. Но, как это часто бывает, решение пришло как раз вовремя.

В июле 1958 г. Джек Килби из компании Texas Instruments придумал идею «монолита». В заявке на патент описывалась «новая миниатюризированная электронная схема, изготовленная из кристалла полупроводникового материала, содержащего диффузионный p-n-переход, где все компоненты электронной цепи интегрированы в кристалл полупроводникового материала». Килби подчеркивал, что «не существует ограничений на сложность или конфигурацию схем, которые можно изготовить таким способом».

Идея была превосходной, но реализация – изображенная в приложении к патенту Килби, датированному февралем 1959 г., – непригодной: проводные соединения, словно арки моста, поднимались над поверхностью кристаллической пластины – и вряд ли такой компонент мог считаться планарным. Килби знал: конструкция неработоспособна – и именно поэтому добавил примечание, что соединения должны быть выполнены каким-либо другим способом. В качестве примера он приводил золото, напыленное на тонкий слой оксида кремния на поверхности кристаллической пластины.

Килби не знал, что в январе 1959 г. Роберт Нойс, в то время руководитель исследовательского отдела компании Fairchild Semiconductor, описал в лабораторном журнале усовершенствованную версию той же идеи: «Желательно изготавливать множество устройств на одном кристалле кремния, чтобы в ходе производственного процесса взаимно соединить эти устройства и тем самым снизить размер, вес и т. д., а также стоимость в расчете на активный элемент». Более того, рисунок в приложении к патенту Нойса, заявку на который он подал в июле 1959 г., не содержит навесного монтажа; на нем ясно изображены планарный транзистор и «проводники в форме металлических полос, которые при помощи вакуумного напыления или иного метода распространяются по всему изолирующему оксидному слою и спаиваются с ним для создания электрических соединений с разными областями полупроводниковой подложки и между ними без замыкания контактов».

Патентная заявка Нойса была удовлетворена в апреле 1961 г., заявка Килби – в июле 1964 г. Тяжба между ними дошла до Верховного суда, который в 1970 г. отказался от слушания дела, поддержав решение нижестоящей инстанции, признавшей приоритет Нойса. Практического значения это не имело, поскольку в 1966 г. компании согласились поделиться лицензиями на производство, и появление интегральной схемы стало еще одним выдающимся примером изобретений, сделанных одновременно и независимо друг от друга. Основная идея была одинаковой, оба изобретателя получили Национальную научную медаль и вошли в Национальный зал славы изобретателей. Нойс прожил всего 62 года, а Килби в 2000 г. был удостоен Нобелевской премии по физике – в возрасте 77 лет, за пять лет до смерти.

Интегральная схема: патент Килби на «навесной монтаж»

Компания Texas Instruments назвала новые устройства «логическими микроэлементами». Их предполагалось использовать для управления межконтинентальными баллистическими ракетами и для осуществления полета человека на Луну.

Последующее развитие интегральных схем, которое описывается все еще действующим законом Мура (см. раздел: «Проклятие Мура: почему технический прогресс не столь стремителен, как кажется?»), сформировало современный мир, каким мы его знаем. В 1971 г. примитивные интегральные схемы усложнились до простых микропроцессоров, содержащих несколько тысяч элементов, а те, в свою очередь, усложнились настолько, что позволили сделать доступными персональные компьютеры, созданные в середине 1980-х гг. В 2003 г. количество элементов в интегральной схеме превысило 100 млн, а в 2015 г. достигло величины 10 миллиардов транзисторов. С 1965 г. число элементов увеличилось на восемь порядков, то есть росло со скоростью 37 % в год, и в расчете на определенную область удваивалось приблизительно каждые два года. Иными словами, если сравнить с сегодняшними возможностями компьютеров, то для достижения такой же производительности в середине 1960-х гг. потребовались бы компоненты бо́льшие по размеру в 100 млн раз. Как однажды заметил знаменитый физик Роберт Фейнман, «внизу много места».

Интегральная схема: патент планарной схемы Нойса

Проклятие Мура: почему технический прогресс не столь стремителен, как кажется?

В 1965 г. Гордон Мур, в то время директор отдела исследований и разработок в компании Fairchild Semiconductor, заметил: «…при минимальных затратах на компоновку сложность новых моделей микросхем – если судить по числу транзисторов – ежегодно возрастала приблизительно в два раза… Несомненно, в краткосрочной перспективе эта скорость, скорее всего, сохранится, а возможно, увеличится». Если взять достаточно продолжительный временной отрезок, то удвоение происходит каждые два года – иными словами, мы наблюдаем экспоненциальный рост на 35 % в год. Это и есть закон Мура.

По мере того как элементы становились меньше, быстрее и дешевле, повышались возможности и снижалась стоимость многих товаров и услуг, в частности компьютеров и мобильных телефонов. Итогом стала революция в электронике, но эта революция оказалась и благом, и проклятием, поскольку ненамеренно повлияла на ожидания, связанные с техническим прогрессом. Нас убеждают, что быстрый прогресс скоро даст нам беспилотные автомобили, индивидуальные средства лечения рака, мгновенную 3D-печать сердец и почек. Нам даже говорят, что он проложит путь к переходу от ископаемого топлива к возобновляемой энергии.

Но время удвоения плотности транзисторов на кристалле не может служить мерилом технического прогресса в целом. Современная жизнь зависит от множества процессов, которые совершенствуются довольно медленно, – это, помимо прочего, производство продуктов питания и электроэнергии, а также перевозка товаров и людей. Столь медленное развитие характерно не только для процессов, проходивших до 1950-х гг., но и для изобретений и инноваций, совпавших по времени с совершенствованием транзисторов (их первое коммерческое применение, в слуховых аппаратах, относится к 1952 г.).

Урожайность кукурузы, ведущей сельскохозяйственной культуры Америки, после 1950 г. повышалась в среднем на 2 % в год. Урожайность риса, главного продукта питания в Китае, в последние 50 лет увеличивалась в среднем на 1,6 % в год. Эффективность, с которой турбоагрегаты преобразуют тепловую энергию в электричество, на протяжении всего XX в. росла всего на 1,5 % в год; если сравнивать турбоагрегаты 1900 г. с парогазовыми электростанциями 2000 г., этот параметр увеличится до 1,8 % в год. В области освещения прогресс впечатляет намного сильнее, чем в любом другом секторе преобразования электроэнергии, но с 1881 по 2014 г. световая отдача (люмен на ватт) увеличивалась всего на 2,6 % в год для внутреннего освещения и на 3,1 % для внешнего (см. главу «Солнечный свет: все еще вне конкуренции»).

Скорость межконтинентальных путешествий выросла с 35 км/ч у больших океанских лайнеров (1900) до 885 км/ч у самолета Boeing 707 (1958), то есть увеличивалась в среднем на 5,6 % в год. Но с тех пор у реактивных самолетов она почти не изменилась; у Boeing 787 скорость лишь на несколько процентов больше, чем у Boeing 707. С 1973 по 2014 г. эффективность использования топлива у новых американских легковых автомобилей (даже если исключить гигантские внедорожники и пикапы) росла всего на 2,5 % в год, с 13,5 до 37 миль на галлон (то есть расход топлива падал с 17,4 до 6,4 л на 100 км пробега). И наконец, энергетические затраты на производство стали (кокс, природный газ и электричество), главного металла для нашей цивилизации, с 1950 по 2010 г. снизились с примерно 50 ГДж (в расчете на тонну) до менее чем 20 ГДж, то есть ежегодное снижение составило около 1,7 %.

Энергия, материалы и транспорт, которые обеспечивают функционирование современной цивилизации и одновременно ограничивают ее возможности, совершенствуются непрерывно, но медленно. Эффективность растет по большей части в диапазоне от 1,5 до 3 % в год – и приблизительно с такой же скоростью снижаются цены.

Таким образом, за пределами мира, в котором господствуют микросхемы, инновации закону Мура не подчиняются – и скорость прогресса на порядок меньше.