Участники гонки вооружений впаялись в кремний
4 октября 1957 года в Советском Союзе был осуществлен запуск первого искусственного спутника Земли мощной баллистической ракетой Р-7. Прорыв в космос дал старт новому этапу гонки вооружений.
Советский спутник неожиданно продемонстрировал отставание США в ракетостроении. За океаном разработку новых технологий в интересах вооруженных сил поручили созданным в 1958 году государственным структурам: Национальному управлению по аэронавтике и исследованию космического пространства (NАSА) и Агентству перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (ARPA). Эти структуры встали во главе ракетно-космической программы США. С учетом меньшей мощности носителей техническое руководство NАSА и ARPA сосредоточило усилия на повышении качества и функциональной сложности приборной базы, добиваясь большей полезной отдачи и увеличения времени жизни бортовой аппаратуры. В ARPA был сформирован отдел микросистемных технологий (MTO).
Отставание от СССР по тяжелым ракетам потребовало от руководства США принятия новой концепции «гибкого реагирования». Она опиралась на твердотопливную ракету наземного базирования «Минитмен», к разработке электронных блоков которой в 1957 году привлекли Texas Instruments (TI). Специалисты фирмы сконцентрировали усилия на решении проблем с отказами транзисторной аппаратуры. В 1958-м штат TI пополнился опытным радиотехником, ветераном Второй мировой Джеком Килби.
Технологии TI позволили ему сформировать в пластине германия меза-транзисторы, меза-диоды, распределенные RC-цепи. Первые два прототипа интегральных схем (ИС) были изготовлены и испытаны в сентябре 1958 года. Они содержали не более двух транзисторов. TI публично представила изобретение Килби 6 марта 1959 года, ровно через два месяца он получил патент. И первым на практике доказал, что в массиве полупроводника можно сформировать все необходимые компоненты радиотехнических и вычислительных блоков электронной аппаратуры. ВВС США профинансировали разработку прототипов серийных ИС. За два года TI изготовила 587 таких пластин и в 1961-м смонтировала из них для ВВС макет бортового компьютера.
Берег технологии будущего
«Твердотельные схемы» Килби делались по стандартной технологии производства германиевых транзисторов. Поэтому не годились для массового производства высоконадежных сложных полупроводниковых структур, предназначенных для военных применений. Понадобился интеллектуальный потенциал Уильяма Шокли («Маленькие хитрости ядерной бомбардировки») и его учеников для перехода на новую микроэлектронную ступень технологии.
“ Вычислительная машина XD-1 весила 250 тонн и состояла из 49 тысяч ламп ”
В сентябре 1955 года в 45 лет Шокли увольняется из Bell Labs. Свои жизненные планы он связывал с созданием собственного предприятия, ориентированного на разработку новых полупроводниковых структур и технологий, которые будут в промышленных масштабах востребованы в военных, а затем и в гражданских изделиях. Он понимал, что необходим переход к многослойным полупроводниковым структурам, электрические характеристики которых определяются и контролируются технологией изготовления. И когда ему предложили освоить газовую диффузию примесей в кристаллы кремния, стать главой нового самостоятельного филиала фирмы, он согласился при условии размещения его в Пало-Альто (Калифорния), где прошли детство, юность и жила престарелая мать.
Город был выбран не только личными обстоятельствами, но и особенностями расположения в области залива Сан-Франциско, которая долгое время была местом разработок и исследований для ВМС США. Важное преимущество Пало-Альто – его близость к Станфордскому университету, который стал источником научных кадров для предприятия Шокли. В итоге Shokley Semi-Сonductor Laboratories присоединилась к таким состоявшимся компаниям, как Varian Associates, Hewlett-Packard, Eastman Kodak, General Electric, Lockheed Corporation, которые превратили Пало-Альто в центр новой индустрии. Кроме того, Шокли стал первым, кто перенес разработку и производство полупроводниковых приборов с Восточного побережья США на Западное. Это событие оказалось знаковым для превращения области залива Сан-Франциско в мировой центр новых технологий, получивший название Кремниевая долина.
После строгого отбора к сентябрю 1956 года лаборатория насчитывала 32 сотрудника. Одновременно с кадровыми вопросами Шокли руководил строительными и монтажными работами, чтобы приобретенный Beckman Instruments в Маунтин-Вью склад абрикосов преобразовать в опытный участок изготовления кремниевых полупроводниковых структур. Ученый принципиально отказывался нанимать технический персонал для сборки и пусконаладки оборудования. Сотрудники лаборатории должны были сами готовить опытное производство для дальнейшей работы на нем. Инженеры и физики с прочным техническим опытом быстро вникли в тонкости изготовления полупроводников и за год работы превратились в коллектив, способный к разработкам самого передового уровня. Исследования касались прежде всего процессов легирования кремния из газовой фазы. Работы дополняли внутренние засекреченные исследования Bell Labs по «мокрому окислению» кремния и применению фотолитографии для «вскрытия» окон в защитных слоях двуокиси кремния на поверхности кристалла. Шокли, оставаясь консультантом Bell Labs, обеспечивал взаимовыгодный обмен отчетами исследований, проводимых в Нью-Йорке и Маунтин-Вью.
Уже тогда он предвидел замену плоскостного транзистора более совершенным элементом и рассматривал два варианта базового полупроводника. Первый был продолжением работы по исследованию воздействия на него электрических полей. Второй вариант представлял собой попытку создания «функционального» четырехслойного образца с двумя выводами (динистор), структуру которого Шокли предложил для промышленного освоения. Он лично занимался динисторами, под них Beckman Instruments получил контракт, и этот новый прибор планировался для массового применения в телефонии.
В дальнейшем деятельность Shokley Semi-Сonductor Laboratories была связана с научной работой Шокли в области солнечных батарей и надежности полупроводниковых приборов. Важно отметить, что фирме Bell Labs удалось реализовать оригинальную концепцию транзистора на полевом эффекте. Полученная структура (МОП-транзистор) в настоящее время – базовая для всех цифровых полупроводниковых устройств.
В июле 1961-го Шокли и его семья пострадали в автокатастрофе, после которой он уже не мог вести активную научно-практическую деятельность. Но развитие полупроводниковой техники продолжилось благодаря опыту и знаниям, воспринятым учениками из Fairchild Semiconductor, и проблемам, которые инвесторы надеялись решить, создавая новое предприятие.
Транзистор для «Минитмена»
Один из самых крупных с 1951 года заказов правительства США заключался в создании системы противоракетной обороны SAGE. Основой системы стали компьютеры XD-1, разработанные в MIT и изготавливаемые IBM. На проекте SAGE IBM заработала 500 миллионов долларов. Вычислительная машина XD-1 весила 250 тонн при мощности электропотребления три мегаватта, состояла из 49 тысяч ламп и имела производительность 75 тысяч оп/сек. Но характеристики XD-1 не давали возможности перейти к разработкам вычислительных систем раннего оповещения ПВО.
Появление в 1954 году транзисторного приемника TI стимулировало разработку в IBM собственных специализированных компьютеров военного назначения на транзисторах. Таким образом, рождение Fairchild Semiconductor стало «случайным» подарком IBM и Fairchild Camera and Instruments, которые за инвестированные 1,38 миллиона долларов получили в распоряжение готовую производственную и исследовательскую структуру, включая специалистов, для разработки элементной базы нового поколения военной техники.
В ноябре 1957-го Fairchild Semiconductor приобрела пустое здание на границе Пало-Альто и Маунтин-Вью. Задача воспроизведения экспериментального производства Шокли и его технологических наработок была решена оперативно и с энтузиазмом. Ближайшей целью стал выпуск линейки кремниевых диффузионных меза-транзисторов. Были сформированы группы разработчиков во главе с Гордоном Муром. Именно его меза-транзистор (2N696) в сентябре 1958 года стал продаваться на открытом рынке США. Это был успех. Первые испытания 2N696 проводились в составе аппаратуры, разрабатываемой IBM, а затем он стал «универсальным транзистором» американского ВПК.
Однако в конце 1958-го на тендере на поставку транзисторов для блоков управления ракет «Минитмен» выяснилось, что 2N696 не удовлетворяют требованиям по надежности. Это было обусловлено отсутствием защиты от загрязняющих примесей коллекторного отвесного p-n перехода в меза-структурах. Коллективу Fairchild Semiconductor потребовалось два года, чтобы освоить первый планарный процесс, включающий две диффузии и четыре операции фотолитографии. Первые такие транзисторы (2N1613) были серийно выпущены в апреле 1960-го. С тех пор планарный процесс остается основным способом. Так была заложена база сквозной автоматизации проектирования и изготовления полупроводниковых интегральных структур.
В августе 1959 года на Fairchild Semiconductor появилась группа по разработке ИС. Это проходило одновременно с отладкой и доводкой планарного процесса. Первый работоспособный образец полноценной полупроводниковой кремниевой интегральной схемы был закончен и успешно испытан 27 сентября 1960-го. Эту дату можно считать днем рождения микроэлектроники.
Констатируем: МЭ – продукт деятельности ВПК в послевоенном противостоянии мировых сверхдержав, США и СССР. Как индустрия МЭ возникла в результате синтеза достижений естественных наук и технологических методов крупносерийного производства ВВТ. Разработка первых микросхем основывалась на однозначной формулировке требований к изделиям военного назначения, государственном финансировании и управлении НИОКР. Дальнейшее развитие МЭ связано с широким внедрением ИС во все виды человеческой деятельности, возникновением уникального мирового рынка комплектующих электронных товаров. МЭ, являясь базовой составляющей электронной промышленности, позволила последней по производству продукции в денежном выражении обогнать нефтедобывающую, автомобильную, химическую и станкостроение.
В настоящее время изделия МЭ составляют приборную базу новейших видов вооружения. Совместная деятельность DARPA, финансовых структур, ведущих университетов США направлена на преодоление разрыва между фундаментальными исследованиями и их применением в военной сфере. Бюджет DARPA составляет три миллиарда долларов. Агентство концентрируется на краткосрочных (два – четыре года) программах, выполняемых специально подобранными кооперациями подрядчиков. Есть смысл присмотреться к этому опыту.
Заголовок газетной версии – «Микросхемы для сверхдержавы».
Сергей Ротнов, кандидат технических наук
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 12 (825) за 31 марта 2020 года
