История интернета. Глава 4 - микрочип

Проблема, которую все видели и никто не решал

К 1958 году транзистор победил. Электронные лампы уходили - медленно, с сопротивлением, но уходили. Военные заказывали транзисторные системы. Университеты строили транзисторные компьютеры. Texas Instruments продавала карманные радиоприёмники.

Но чем сложнее становились устройства, тем острее проявлялась новая проблема.

Возьмём военную ракетную систему середины 1950-х. Для управления ей нужна электронная схема с несколькими тысячами транзисторов, резисторов и конденсаторов. Каждый компонент - отдельная деталь. Каждую деталь нужно поместить на плату. Каждое соединение - припаять вручную.

Инженер с паяльником под микроскопом. Тысячи соединений. Каждое - потенциальная точка отказа.

В американской армии это называлось "тиранией цифр". Чем больше компонентов - тем надёжнее система теоретически. И тем ненадёжнее практически, потому что растёт число соединений, которые могут подвести. В какой-то момент усложнение схемы начинало делать её хуже, а не лучше.

Решение напрашивалось само. Если проблема в соединениях - значит, соединений должно быть меньше. А лучше - не должно быть вовсе.

Но как сделать схему без соединений?

Двое людей нашли ответ одновременно. В разных компаниях. В разных штатах. Не зная друг о друге.

Джек Килби и лето без отпуска

Май 1958 года. Джек Килби приходит на новую работу в Texas Instruments в Далласе.

Килби - высокий, немного неловкий в движениях, говорит медленно и по делу. Инженер из Канзаса, учился в Иллинойсе, работал в небольшой компании в Милуоки, где делал слуховые аппараты. Не звезда отрасли - крепкий инженер с хорошей репутацией и конкретным мышлением. Именно такие люди иногда делают открытия, которые звёзды пропустили.

В TI действовало правило: новые сотрудники в первое лето идут в отпуск вместе со всеми, независимо от того, сколько они проработали. Июль - корпоративный отпуск. Все уходят.

У Килби не было накопленных отпускных дней. Он остался один в почти пустой лаборатории.

Несколько недель тишины. Никаких совещаний. Никаких коллег с вопросами. Килби думал.

Он думал о тирании цифр. О паяных соединениях. О том, что все компоненты схемы - транзисторы, резисторы, конденсаторы - можно сделать из полупроводника. Не только транзисторы, как делали тогда. Всё.

Если все компоненты - из одного материала, их можно сделать в одном куске. Один кристалл. Всё внутри. Никаких соединений снаружи.

Он записал идею в лабораторный журнал 24 мая 1958 года. Назвал её "монолитная идея" - monolithic idea.

Когда коллеги вернулись из отпуска, Килби показал эскизы. Реакция была осторожной. Идея красивая, но непонятно, как это сделать технологически. Германий - материал, с которым работали тогда в TI - плохо подходит для резисторов. Конденсаторы из полупроводника будут иметь паразитные ёмкости.

Килби сказал: давайте проверим.

Двенадцатого сентября 1958 года он включил первую интегральную схему. Кусочек германия размером с половину скрепки. Внутри - транзистор, три резистора, конденсатор. На осциллографе - синусоида. Схема работала.

В комнате было несколько менеджеров TI. Они смотрели на экран осциллографа.

"Это работает", - сказал Килби.

Это был самый сдержанный комментарий к одному из важнейших изобретений XX века.

TI немедленно подала патентную заявку. Дата приоритета - 6 февраля 1959 года.

За это изобретение Джек Килби в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике. Роберт Нойс, который пришёл к той же идее независимо и чьё техническое решение оказалось лучше, к тому времени уже умер. Нобелевский комитет не присуждает премии посмертно.

Жан Хорни и идея, которая изменила всё

Пока Килби работал в Далласе, в Маунтин-Вью происходило кое-что не менее важное. И связано это было не с самой интегральной схемой, а с тем, как её делать.

Жан Хорни был одним из восьми человек, ушедших от Шокли в Fairchild Semiconductor. Швейцарец по происхождению, физик-теоретик по образованию - он выделялся даже на фоне блестящей команды Fairchild. Коллеги говорили, что Хорни думает о физике полупроводников так, как другие думают о погоде - постоянно, фоново, без видимых усилий.

В конце 1957 года Хорни начал думать о поверхности транзистора.

Проблема была такой. Транзистор работал за счёт тонких слоёв полупроводника с разным типом проводимости. Переходы между слоями - это места, где происходит нужная физика. И эти переходы заканчивались на поверхности кристалла, открытые внешней среде.

Открытая поверхность полупроводника - это плохо. Там накапливаются примеси, влага, оксиды. Они нарушают работу переходов. Параметры транзистора нестабильны, предсказать их трудно, производить стабильные партии - ещё труднее.

Хорни придумал решение, которое казалось почти очевидным задним числом, но до него никто не делал.

Что если закрыть поверхность? Что если оставить переходы не на краю кристалла, а внутри - под защитным слоем диоксида кремния, который сам по себе является отличным изолятором?

Всю структуру транзистора - в одной плоскости, под оксидным покрытием. Планарная структура.

Он набросал идею на клочке бумаги - по некоторым воспоминаниям, буквально на салфетке в офисе - и отдал инженерам на проверку.

Планарный транзистор работал лучше любого предшественника. Стабильные характеристики. Воспроизводимость в производстве. И - это оказалось самым важным - совместимость с фотолитографией: процессом нанесения рисунка схемы через маску с помощью света и химического травления.

Именно планарный процесс Хорни сделал интегральную схему Нойса реальной. Без него идея "всё на одном кристалле" оставалась красивой концепцией с непонятной технологией реализации.

"Планарный процесс был тем кирпичом, без которого здание не строится. Хорни положил его первым."

Так об этом говорил Гордон Мур - человек, которому трудно отказать в точности оценок.

Хорни получил патент на планарный транзистор в 1960 году. Умер в 2000-м от рака. Его имя значительно менее известно, чем имена Нойса или Мура - хотя без его изобретения их работа была бы невозможна.

Артур Рок и деньги, которые изменили правила игры

В истории микрочипа и Intel есть человек, которого обычно упоминают вскользь. Между тем без него Fairchild не возник бы, Intel не возник бы, и вся структура финансирования технологических стартапов была бы другой.

Его звали Артур Рок

1957 год. Восемь инженеров, решивших уйти от Шокли, не знали, что делать дальше. Технически они были готовы. Юридически - понимали, как оформить компанию. Но денег не было. А без денег нет оборудования, нет лаборатории, нет ничего.

Один из восьми - Юджин Клейнер - написал письмо в нью-йоркский банк Hayden Stone с просьбой помочь найти инвестора. Письмо случайно попало к молодому аналитику по имени Артур Рок.

Рок прочитал письмо и немедленно поехал в Калифорнию. Он встретился с восемью инженерами, выслушал идею, задал несколько вопросов. И решил помочь - не потому что понимал полупроводники, а потому что понимал людей.

Схема, которую он придумал, была новой. Вместо банковского кредита или продажи доли крупной корпорации - частный инвестор вкладывает деньги в обмен на долю в новой компании. Рок объехал тридцать пять потенциальных инвесторов. Тридцать четыре отказали. Тридцать пятый - Шерман Фэрчайлд, авиационный магнат с деньгами и интересом к технологиям - согласился.

Fairchild Semiconductor получила полтора миллиона долларов стартового капитала. Это был один из первых венчурных сделок в американской истории в современном смысле слова.

Рок понял кое-что важное, что другие финансисты тогда не понимали. Главный актив технологической компании - не оборудование и не патенты. Это люди. Восемь инженеров, ушедших от Шокли, были лучшими в своей области. Деньги давались не под бизнес-план - деньги давались под команду.

Эта логика стала основой венчурной индустрии Кремниевой долины.

В 1968 году история повторилась. Нойс и Мур решили уйти из Fairchild. Они позвонили Року. Рок снова помог собрать деньги - на этот раз два с половиной миллиона долларов, за два дня, просто на имена основателей.

Новая компания называлась Intel. Рок вошёл в совет директоров и оставался там двадцать лет.

"Я инвестирую в людей, а не в идеи. Хорошие люди с плохой идеей изменят идею. Плохие люди с хорошей идеей уничтожат её."

Артур Рок говорил это в разных интервью в разных вариантах. Суть не менялась.

Тед Хофф и японский калькулятор

1969 год. Intel два года на рынке. Компания производит чипы памяти - это была изначальная бизнес-идея Нойса и Мура. Память нужна всем, производить её можно большими партиями, маржа приличная.

В октябре 1969 года к Intel обратилась японская компания Busicom. Они делали настольные калькуляторы и хотели заказать набор специализированных микросхем для новой линейки. Двенадцать разных чипов под двенадцать разных функций.

Задачу передали молодому инженеру Маршиану Хоффу - все звали его Тед.

Хофф посмотрел на техническое задание Busicom и поморщился. Двенадцать специализированных чипов - это двенадцать отдельных проектов. Каждый надо разработать, протестировать, запустить в производство. Это долго и дорого. И каждый чип делает ровно одно - ничего больше.

Хофф подумал и предложил другое.

А что если сделать один чип - универсальный? Не заточенный под конкретные функции калькулятора, а способный выполнять любые инструкции, которые ему дадут. Программируемый. Программа хранится отдельно, в чипе памяти, - и можно написать разные программы для разных функций.

По сути - компьютер на одном кристалле.

Идея была красивой. Busicom поначалу отнеслась скептически - им нужен был калькулятор, а не компьютер. Нойс поддержал Хоффа. Переговоры шли несколько месяцев.

В итоге договорились. Хофф получил добро на разработку.

Но разработка - это одно дело. Реализовать её физически - другое. Хофф был блестящим системным архитектором, но не разработчиком микросхем. Реальную конструкцию чипа создал другой инженер - Федерико Фаджин, итальянец, пришедший в Intel из Fairchild. Именно Фаджин нарисовал схему, выбрал архитектурные решения на уровне транзисторов и запустил производство.

Intel 4004 вышел 15 ноября 1971 года.

Четыре миллиметра на три. 2300 транзисторов. Тактовая частота 740 килогерц. Четырёхбитный процессор - то есть за один раз он обрабатывал четыре бита информации.

По меркам 1971 года это было фантастически мало. По меркам 1946-го - это был ENIAC, уместившийся в ноготь.

Intel поначалу не понимала, что именно она сделала. Внутри компании 4004 считался нишевым продуктом для калькуляторов. Маркетинговый бюджет на запуск был минимальным. Объявление о выходе чипа - маленькая реклама в отраслевом журнале Electronic News.

Прошло несколько лет, прежде чем стало ясно: Intel случайно изобрела микропроцессор - и этим изменила всё.

Эндрю Гроув: человек, который научил Intel выживать

Среди людей, сделавших Intel тем, чем она стала, есть один, чья роль обычно недооценивается в романтических историях об изобретателях.

Роберт Нойс был визионером - он видел будущее и умел убеждать других в него верить. Гордон Мур был учёным - он понимал физику и видел тенденции раньше рынка.
А Эндрю Гроув был тем, кто превращал видение и тенденции в работающую компанию.

Гроув родился в Будапеште в 1936 году. В восемь лет пережил нацистскую оккупацию - семья скрывалась под чужими именами. В двадцать лет, после подавления советскими войсками венгерского восстания 1956 года, бежал пешком через границу в Австрию. С несколькими долларами в кармане добрался до Нью-Йорка, выучил английский, поступил в City College, потом получил докторат по химической инженерии в Беркли.

В Fairchild его взяли в 1963-м. В Intel он пришёл одним из первых сотрудников в 1968-м - операционным директором.

Нойс занимался внешними связями и стратегией. Мур - исследованиями. Гроув - всем остальным. Производство, найм, процессы, качество, дисциплина. Он строил компанию изнутри.

Гроув был требовательным до жёсткости. Опоздание на совещание каралось штрафом - небольшим, символическим, но штрафом. Он лично читал отчёты подразделений и задавал неудобные вопросы. Он не терпел размытых ответов и не прощал невыполненных обещаний.

"Успех порождает самодовольство. Самодовольство порождает провал. Только параноики выживают."

Эта фраза стала названием его книги 1996 года и девизом его стиля управления. "Only the Paranoid Survive" - "Выживают только параноики".
Гроув имел в виду конкретное и практическое: руководитель обязан постоянно искать угрозы, даже когда всё хорошо. Особенно когда всё хорошо.

В середине 1980-х Intel оказалась в кризисе. Японские производители - Fujitsu, Hitachi, NEC - начали производить чипы памяти дешевле и лучше. Intel теряла рынок, который считала своим. Убытки. Сокращения.

В 1985 году Гроув задал Муру вопрос - знаменитый в истории менеджмента:

"Если бы нас уволили и совет нанял нового генерального директора - что бы он сделал?"

Мур ответил не сразу: "Ушёл бы из производства памяти".

Гроув помолчал. Потом сказал: "А почему бы нам не выйти отсюда и не сделать это самим?"

Intel вышла из производства памяти. Полностью. Уволила треть сотрудников. Сосредоточилась на микропроцессорах.

Это было одним из самых болезненных и правильных стратегических решений в истории технологической индустрии.

В 1987 году Гроув стал CEO Intel. За следующие одиннадцать лет капитализация компании выросла в сорок раз.

В 1997 году журнал Time назвал его "Человеком года". На обложке - фотография Гроува с подписью: "Человек, чьи идеи питают революцию".

Гроув умер в 2016 году от болезни Паркинсона. Большую часть своего состояния завещал на исследования рака и образование.

Что случилось дальше с Intel 4004

Через год после выхода 4004 Intel выпустила 8008 - уже восьмибитный, вдвое мощнее. В 1974-м - 8080. Именно на базе 8080 Билл Гейтс и Пол Аллен написали первую версию BASIC для микрокомпьютера Altair. Именно 8080 вдохновил молодых энтузиастов в Калифорнии строить персональные компьютеры в гаражах.

Один из этих гаражей принадлежал семье Джобсов в Лос-Альтосе.

Но это уже другая глава.

Закон Мура работал.
1978 год - 8086, 29 000 транзисторов.
1982 - 80286, 134 000.
1989 - 486, 1,2 миллиона.
2000 - Pentium 4, 42 миллиона.
2012 - Ivy Bridge, 1,4 миллиарда.

Каждые два года - примерно вдвое больше. Каждые два года - примерно вдвое мощнее. Каждые несколько лет - новый класс устройств, который был невозможен раньше.

К 2020-м транзисторы достигли размеров нескольких нанометров. Чип Apple M3 Ultra содержит 192 миллиарда транзисторов. Физические пределы начали проявляться - туннельный эффект, квантовые утечки, тепловыделение. Закон Мура замедлился.

Но за семьдесят лет он успел от кристалла германия размером с половину скрепки - до ста девяноста двух миллиардов транзисторов в процессоре, который помещается в ноутбук.

Конец четвёртой главы

Микрочип решил последнюю аппаратную задачу. Компьютеры стали маленькими, дешёвыми и быстрыми. Их можно было производить миллионами. Их можно было ставить в университеты, офисы, лаборатории - не по одному на город, а по несколько на этаж.