История интернета. Глава 3 - Транзистор

Глава 3. Транзистор

Комната, в которой было слишком жарко

Чтобы понять, зачем понадобился транзистор, надо сначала понять, что было до него.

До него была электронная лампа. Стеклянная колба размером с кулак, внутри - вакуум и металлические электроды. Через лампу можно пропустить ток, усилить сигнал, переключить цепь. Лампа умела всё, что нужно электронному устройству. Она работала.

Но у неё было четыре серьёзных недостатка.

Она была большой. Горячей. Хрупкой. И недолговечной.

ENIAC - гордость американской науки, "электронный мозг", о котором писали все газеты - работал на 18 000 ламп. Средняя лампа жила несколько тысяч часов. Простая математика показывает: при такой плотности где-то в машине лампа перегорала каждые несколько часов. Дежурный оператор ходил по рядам с запасными лампами как обходчик с масляным бидоном. Найти перегоревшую - уже задача. Заменить - ещё полчаса.

Комната с ENIAC всегда была горячей. Зимой в ней ходили без пальто. Летом - в рубашках с закатанными рукавами.

Физики понимали: если компьютеры когда-нибудь выйдут за пределы военных лабораторий, лампа должна уйти. Нужно что-то твёрдое, холодное, маленькое. Что-то, что не перегорает.

Ответ лежал в физике полупроводников. Теоретически - уже было понятно. На практике - никто не умел.

Bell Labs и охота за будущим

После Второй мировой войны Bell Telephone Laboratories была, пожалуй, лучшим местом для учёного в мире. Не университет - корпоративная лаборатория телефонной монополии AT&T. Но Bell Labs работала не как корпорация. Она работала как университет с неограниченным финансированием и без обязательства публиковать результаты каждые полгода.

Физики, химики, математики получали зарплату, лабораторное оборудование и одно задание: думать. Не думать о конкретном продукте - просто думать. Если что-то выйдет полезное - хорошо. Если нет - значит, наука так устроена.

Из Bell Labs вышли транзистор, лазер, солнечная батарея, операционная система Unix, языки программирования C и C++, теория информации Шеннона и несколько нобелевских премий.

В 1945 году директор по исследованиям Мервин Келли собрал группу для работы над полупроводниками. Задача была сформулирована практически: найти твёрдотельный усилитель сигнала, который заменит электронную лампу. Для телефонной компании это было вопросом выживания - ламповые усилители на трансконтинентальных линиях занимали целые здания и требовали постоянного обслуживания.

Руководить группой Келли поставил Уильяма Шокли.

Уильям Шокли: гений и его тень

Уильям Шокли был из тех людей, про которых говорят: блестящий, но. Именно это "но" занимает большую часть любого рассказа о нём.

Он родился в Лондоне в 1910 году, вырос в Калифорнии, учился в MIT и Кальтехе. Физик от бога - интуиция на задачи, скорость мышления, способность видеть в экспериментальных данных то, что другие пропустят. В Bell Labs его взяли в 1936 году, и уже через несколько лет он стал одним из ведущих специалистов по физике твёрдого тела.

Во время войны Шокли работал на военное командование - занимался противолодочной борьбой, статистикой потерь, оперативным анализом. Это была другая работа, далёкая от физики, но она показала ещё одну его черту: он умел думать системно, видеть задачу целиком, находить нестандартные решения там, где другие шли по накатанному.

Вернувшись в Bell Labs после войны, он получил группу и задачу. Его план был такой: взять германий - полупроводник, в котором теория предсказывала интересные электрические свойства - и научиться управлять током через него с помощью внешнего электрического поля. Это называлось "полевой эффект", и Шокли был убеждён, что именно здесь ключ.

Эксперименты не работали. Месяц за месяцем. Полевой эффект, который должен был проявляться, не проявлялся. Теория говорила - должен быть. Германий говорил - нет.

Шокли злился. И, что было для него характерно, начинал давить на людей вокруг.

В группе было двое учёных, которые работали рядом с ним, но в несколько другом направлении.
Джон Бардин - тихий теоретик из Висконсина, один из самых аккуратных мыслителей, каких видела физика XX века.
И Уолтер Браттейн - экспериментатор до мозга костей, человек с феноменальным чутьём к приборам, который мог поставить эксперимент так, что результат получался там, где другие видели только шум.

Бардин предложил объяснение, почему полевой эффект не работает у Шокли. На поверхности германия образуются "поверхностные состояния" - ловушки для электронов, которые экранируют внешнее поле. Надо работать не так. Надо работать иначе.

Шокли выслушал. Не сказал ни да ни нет. И пошёл заниматься другими делами.

Бардин и Браттейн продолжили вдвоём.

Декабрь 1947 года

Осень 1947 года. Бардин и Браттейн методично ставят эксперимент за экспериментом. Пробуют разные конфигурации контактов с германием. Меняют среду - воздух, вода, вакуум. Ищут условия, при которых ток через германий можно усилить, управляя им с третьего контакта.

Шестнадцатого декабря 1947 года что-то щёлкнуло.

Браттейн взял тонкую пластину германия. Прижал к её поверхности два золотых контакта - два острых кончика золотой фольги, разделённые промежутком в несколько сотых миллиметра. Один контакт - вход. Другой - выход. Третий контакт снизу - управляющий.

Подали маленькое напряжение на управляющий контакт. Измерили ток на выходе.

Усиление в восемнадцать раз.

Это был транзисторный эффект. То, что теория предсказывала годами, но никому не удавалось поймать в эксперименте. Маленький сигнал управляет большим. Без вакуума. Без стеклянной колбы. Без нагрева.

Браттейн позвонил домой жене: "Мы только что сделали кое-что важное сегодня".

Они записали результаты, проверили несколько раз. Потом позвонили коллегам. Те пришли, посмотрели, измерили. Всё сходилось.

Шокли в тот день в лаборатории не было.

Когда он узнал о результате на следующий день, в нём произошло что-то сложное. Радость - потому что его группа сделала открытие. И что-то другое, острое, неприятное - потому что открытие сделала не его идея. Его план с полевым эффектом не сработал. Сработал подход Бардина.

Шокли исчез на несколько дней. Закрылся в гостинице в Чикаго - был в командировке по другим делам - и за несколько ночей разработал собственную теорию. Он придумал другую конструкцию транзистора - биполярный транзистор, где ток управляется не полем, а тонким слоем полупроводника между двумя областями с разным типом проводимости. Конструктивно сложнее. Но технологически - значительно проще в производстве.

Он вернулся с готовой теорией и сказал: вот как это должно работать в реальном устройстве.

С технической точки зрения он был прав. Биполярный транзистор Шокли оказался именно тем, что пошло в массовое производство. Не точечный транзистор Бардина и Браттейна - красивый, но хрупкий и трудновоспроизводимый - а биполярный.

Но люди, которые первыми поймали эффект, были Бардин и Браттейн.

Патент Bell Labs оформляла осторожно - чтобы не нарушить уже существующие патенты на полупроводниковые устройства. Дату приоритета поставили: 23 декабря 1947 года.

Публичное объявление - 30 июня 1948 года. Новость вышла на внутренних страницах газет. "New York Times" дала несколько абзацев в рубрике "Радионовости". Журналисты не поняли, о чём идёт речь.

Мир ещё не знал, что произошло.

Нобелевский ужин без разговоров

В 1956 году Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике трём физикам из Bell Labs - "за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта".

Джон Бардин. Уильям Шокли. Уолтер Браттейн.

На церемонии в Стокгольме они сидели за одним столом. По воспоминаниям очевидцев, разговаривали мало.

К тому моменту Шокли уже ушёл из Bell Labs - в 1954 году, не сойдясь характером с руководством.
Бардин ушёл раньше - в 1951-м, в Иллинойский университет. Ушёл тихо, без скандала. Объяснил коротко: с Шокли работать невозможно.

Бардин был человеком исключительной деликатности - настолько, что коллеги иногда не понимали, согласен он или нет, просто потому что он никогда не повышал голос. Но в Иллинойсе он сделал то, что делают великие учёные, которым дают покой: он решил вторую фундаментальную задачу физики XX века.
В 1957 году вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером он создал теорию сверхпроводимости - BCS-теорию.
В 1972 году получил вторую Нобелевскую премию.

Джон Бардин - единственный человек в истории, получивший Нобелевскую премию по физике дважды.

Браттейн остался в Bell Labs до пенсии, продолжал экспериментировать, публиковался. Тихий, методичный, точный - тот же, что и в декабре 1947-го. Умер в 1987 году.

Шокли к тому времени был уже совсем другой историей.

Пало-Альто и решение, изменившее географию

В 1956 году, получив Нобелевку, Уильям Шокли открыл собственную компанию. Shockley Semiconductor Laboratory. Адрес - Пало-Альто, Калифорния. Рядом со Стэнфордом. В двух шагах от дома, где жила его мать.

Это решение - работать именно здесь, а не в Бостоне, не в Нью-Йорке, не в Чикаго - изменило географию мировой технологической индустрии.

Шокли разослал предложения лучшим молодым физикам и инженерам страны. Работать с нобелевским лауреатом, в новой компании, над передовыми полупроводниками - это было предложение, от которого трудно отказаться. Люди ехали.

Среди них был двадцатидевятилетний Роберт Нойс из MIT - физик с обаянием прирождённого лидера и скоростью мышления, которая пугала преподавателей ещё в колледже. И двадцатисемилетний Гордон Мур - химик из Кальтеха, тихий, методичный, с редким умением видеть тенденции там, где другие видели только данные.

Первое время всё шло хорошо. Шокли умел объяснять, умел ставить задачи, умел видеть, куда движется область. Работать с ним было интеллектуально интересно.

А потом началось.

Шокли требовал, чтобы сотрудники раскрывали свои зарплаты друг другу. Настаивал на работе с германием, когда все данные говорили, что кремний перспективнее. Менял приоритеты без предупреждения - группа несколько месяцев работала над одним проектом, потом Шокли объявлял, что всё меняется. Подозревал сотрудников в саботаже - когда одна из лаборанток порезала палец о стекло, объявил обязательное психологическое тестирование на детекторе лжи для всего персонала.

"Работать с Шокли - значит никогда не знать, что произойдёт завтра. И не потому что всё меняется. А потому что сам Шокли изменится."

Это сказал кто-то из его сотрудников - конкретную цитату не удалось атрибутировать, но её смысл повторяли все, кто работал с ним в тот период.

К 1957 году восемь человек решили уйти. Вместе.

Шокли узнал об этом и назвал их предателями. Слово приросло - их так и называют в истории: "Преда́тельская восьмёрка", The Traitorous Eight.

Джулиус Бланк, Виктор Гринич, Джин Кляйнер, Джей Ласт, Гордон Мур, Роберт Нойс, Шелдон Робертс и Жан Эрни.

Они обратились к нью-йоркскому финансисту Артуру Року - пионеру венчурного финансирования - и тот нашёл им инвестора. Компания Fairchild Camera and Instrument Corporation дала деньги. Новая компания называлась Fairchild Semiconductor.

Шокли продолжал работу. Компания медленно деградировала. В 1960-х он ушёл в академию - стал профессором Стэнфорда. В последние годы жизни занимался евгеникой и публично высказывал идеи о генетическом превосходстве одних рас над другими. Умер в 1989 году - его дети узнали об этом из газет.

Патрик Хаггерти и первый транзистор в кармане

Прежде чем перейти к Fairchild, надо вернуться на несколько лет назад и рассказать про другого человека - который понял коммерческий потенциал транзистора раньше всех.

Bell Labs выдавала лицензии на транзистор охотно. Двадцать пять тысяч долларов - и компания получала право производить устройство. По меркам 1952 года это было недорого, особенно для промышленных игроков. Большинство брали лицензию и убирали в стол: непонятно, что с этим делать.

Патрик Хаггерти думал иначе.

Он был вице-президентом техасской компании Texas Instruments - в прошлом Geophysics Service Inc., производителя оборудования для нефтяной разведки. Не самый очевидный игрок для полупроводникового рынка. Но Хаггерти видел то, чего не видели другие: транзистор не просто заменяет лампу в военных системах. Он делает возможными устройства, которых раньше не существовало в принципе.

Маленькие. Лёгкие. На батарейке. Для обычных людей.

В 1954 году Texas Instruments выпустила первый в мире коммерческий транзисторный радиоприёмник - совместно с небольшой компанией IDEA, которая занималась розничной торговлей. Назывался Regency TR-1. Умещался в нагрудный карман рубашки. Работал от девятивольтовой батарейки. Стоил сорок девять долларов.

Для 1954 года сорок девять долларов - это примерно полтора нынешних iPad. Дорого. Но люди покупали. За первый год продали больше ста тысяч штук.

Regency TR-1 был технически несовершенным. Качество звука - среднее. Чувствительность к сигналу - слабая. Но это был первый карманный радиоприёмник в истории. Первое потребительское электронное устройство, которое человек мог носить с собой.

Хаггерти понял главное раньше отрасли: транзистор ценен не тем, что он лучше лампы. Он ценен тем, что открывает классы устройств, которые с лампой были принципиально невозможны. Портативность. Автономность. Доступность.

Из этого понимания через двадцать лет вырастут персональные компьютеры. Через тридцать - сотовые телефоны. Через пятьдесят - смартфоны.

Нойс и идея на краю ночи

Fairchild Semiconductor начала работу в 1957 году в арендованном здании в Маунтин-Вью - в нескольких милях от офиса Шокли. Восемь человек, стартовый капитал от Fairchild Camera, и задача: производить кремниевые транзисторы лучше, чем кто-либо.

Кремний, а не германий - это было принципиальным решением. Германий работает при комнатной температуре, но при нагреве теряет свойства. Кремний термически устойчивее. Для военных применений, где диапазон температур широк, это критично. И кремния на планете значительно больше, чем германия - в перспективе он дешевле.

Первые два года Fairchild делала транзисторы вручную - под микроскопом, пинцетом, золотыми проволочками. Это работало. Но масштабировать такое производство было почти невозможно. Каждое соединение - ручная работа. Один неловкий пинцет - один бракованный транзистор.

Нойс об этом думал.

В январе 1959 года он взял лабораторный блокнот и записал идею. Он назвал её "унитарная схема" - unitary circuit. Суть была в следующем: не собирать схему из отдельных деталей, соединяя их проводами. А делать всю схему - транзисторы, резисторы, соединения - единым целым на одном кристалле кремния. Методом, который Нойс уже знал: фотолитография и химическое травление.

Годом раньше, в июле 1958 года, Джек Килби в Texas Instruments независимо пришёл к той же идее. Его версия - на германии, с тонкими золотыми проводками внутри корпуса - была сделана первой. Килби демонстрировал её руководству TI 12 сентября 1958 года. Это была первая в мире интегральная схема.

Нойс не знал про Килби. Килби не знал про Нойса.

Но техническое решение Нойса было лучше. Планарный процесс - все элементы в одной плоскости, соединения из металла, напылённого через маску - позволял делать схемы меньше, надёжнее и дешевле. Именно этот метод стал стандартом отрасли.

Патентный спор тянулся до 1969 года. Суды признали оба патента действительными, обе компании получили кросс-лицензии. В 2000 году Нобелевскую премию за интегральную схему получил Килби - Нойс к тому времени умер, в 1990-м, от сердечного приступа. Ему было шестьдесят два года.

Если бы Нобелевский комитет мог присуждать премии посмертно, история могла бы быть другой. Но правила есть правила.

Гордон Мур и число, которое стало законом

В 1965 году журнал Electronics попросил Гордона Мура, директора по исследованиям Fairchild, написать статью о будущем полупроводниковой индустрии.

Мур посмотрел на данные за последние шесть лет.
Первая коммерческая интегральная схема - 1959 год, один транзистор на кристалле.
К 1965 году - уже шестьдесят четыре.
Он нанёс точки на логарифмическую шкалу и провёл прямую.

Прямая говорила: каждый год количество транзисторов на схеме удваивается.

Мур написал статью и предположил, что тенденция сохранится ещё лет десять. Потом скорректировал прогноз - удвоение каждые два года.
Это стало "законом Мура".

Технически это не закон. Физических причин, по которым именно такой темп должен сохраняться, нет. Это наблюдение, которое стало прогнозом, который стал планом.

Компании знали про закон Мура. Инвесторы знали. Покупатели ждали, что следующий компьютер будет мощнее. Разработчики программного обеспечения писали код с расчётом, что через два года железо станет вдвое быстрее. Вся индустрия начала планировать в ритме закона Мура - и ритм держался.

Это был редкий случай, когда наблюдение влияло на реальность, которую описывало.

Intel и десять миллиардов транзисторов в ногте

В 1968 году Нойс и Мур ушли из Fairchild. К тому моменту компания разрослась, обюрократилась, потеряла скорость. Несколько других ключевых людей уже ушли раньше - и каждый основал новую компанию где-то в том же Пало-Альто или Маунтин-Вью. Район начинали называть Кремниевой долиной - по основному материалу, с которым все работали.

Нойс и Мур позвонили Артуру Року - тому же финансисту, который помог им с Fairchild одиннадцать лет назад. Рок собрал два с половиной миллиона долларов за два дня. Имена основателей были достаточной гарантией.

Новую компанию хотели назвать Moore Noyce - по именам основателей. Оказалось, что есть другая компания с похожим названием. Взяли аббревиатуру от Integrated Electronics.

Intel.

Первый коммерческий микропроцессор Intel - 4004 - вышел в ноябре 1971 года.
2300 транзисторов на кристалле кремния размером с ноготь. Тактовая частота 740 килогерц. Вычислительная мощность - примерно как у ENIAC, который занимал целую комнату и весил двадцать семь тонн.

Закон Мура продолжал работать. 1974 год - Intel 8080, 6000 транзисторов. 1978 - 8086, 29 000. 1982 - 80286, 134 000. 1989 - 80486, 1,2 миллиона. 2000 - Pentium 4, 42 миллиона.

К 2020-м годам на одном чипе умещается более десяти миллиардов транзисторов. Каждый размером в несколько нанометров - в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Но базовая идея - один кристалл кремния, на котором вытравлены миллиарды переключателей - та же, что предложил Нойс в январе 1959 года в лабораторном блокноте.

Конец третьей главы

Транзистор сделал компьютер маленьким. Но маленький транзистор - это всё ещё одна деталь из тысяч. Схемы усложнялись, инженеры паяли всё более тонкие проводки под всё более мощными микроскопами, и рано или поздно этот путь должен был упереться в стену.

Следующий вопрос был неизбежен: а что, если вся схема - это одна деталь?

О том, как это случилось - в следующей главе: История интернета. Глава 4 - микрочип.