28 октомври 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Микрочипът - схемата, която промени света

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 01 септември 2015 в 15:20 58310
Първата интегрална микросхема в света, 1958 г.

Две нововъведения в електрониката на ХХ век ускориха напредъка. Изобретеният през 1948 г. транзистор откри пътя към миниатюризация. А след десет години се роди дядото на съвременния процесор – микрочипът!

Както много други технически чудеса, това епохално изобретение също има няколко различни "бащи", дошли до идеята независимо един от друг. Техните имена са известни доста по-добре от конкретните обстоятелства на откритието.

Тиранията на числата

Нашествието на твърдотелната електроника открило пътя пред действително многоелементните системи. Така например, създаденият през 50-те г. под ръководството на Сеймър Грей първи по рода си полупроводников компютър (48-битовият CDС 1604) се състоял от ок. 25 000 транзистора, 100 000 диода и стотици хиляди резистори и кондензатори.

И точно тук възникнал неприятен проблем. Частите на електронната схема се съединявали помежду си с проводници и посредством един-единствен способ – запояване. Това било трудоемка и доста скъпа ръчна работа, в която се допускали и много грешки, тъй като по това време я вършели не роботи, а хора. В началото на транзисторната ера би могло теоретически да се конструира система с каква да е степен на сложност, но изпълнението й се оказвало твърде трудна задача. Монтажната технология затруднявала внедряването на сложни системи на пазара на битова електроника, защото той се нуждаел от големи количества, компактност и умерени цени. Тази технология все по-лошо работели и за големите компютри, тъй като съединителните писти (чиято обща дължина в една завършена система се брояла в километри) чувствително понижавали бързодействието.

Изобщо, в средата на 50-те г. на пътя на осъществяването на големите надежди, възложени на транзисторите, се явило тежко препятствие. То вече си имало и точно название – проблем за междукомпонентно съединение или, неформално, тирания на големите числа. Конструкторите се опитвали да намерят решение в различни варианти – намаляване на размера на елементите на електронните схеми, използване на модулно сглобяване и т. н., но тези решения само продължавали екстензивната посока на развитие. Те не били нито елегантни, нито особено евтини. Нужна била изначално нова идея. И тя не оставила дълго да я чакат.

Горещата точка

Джек Сент Клер-Килби е роден на 8 ноември 1923 г. в Джеферсън Сити, щата Мисури. Баща му ибл инженер по електротехника, добрал се до поста президент на Канзаската електрическа компания. През 1947 г. Килби завършил университета на щата Илинойс като бакалавър-електротехник и започнал да работи в компанията "Сентралаб" в гр. Милуоки, а след три години станал магистър на университета в щата Уисконсин.



Малката фирма "Сентралаб" произвеждала най-вече нескъпи радиодетайли. През 1952 г. тя закупила от "Лаборатория Бел" лиценз за производство на транзистори, и Килби направил немалко за отстраняването на грешки при усвояването на новата технология. Получил около дузина патенти, добил отлична професионална репутация, но работата му доскучала. Килби не само разбирал, че бъдещето на твърдотелната електроника зависи от победата над "големите числа", но и смятал себе си за способен да я удържи. За това му била необходима изследователска длъжност в компания със сериозни финансови ресурси и интерес към нови разработки. В началото на 1958 г. изобретателят разпратил CV-то си на няколко перспективни адреса в такава връзка и получил предложения от Ай Би Ем и Моторола. Но Килби предпочел по-малко известната компания "Тексас Инстрюмънтс", където няколко години по-рано физикът Гордън Тил и физикохимикът Уилис Едкок създали първата ефективна технология за производство на силициеви транзистори (дотогава те се произвеждали само на германиева основа). Тази разработка също била опит за разрешаване на проблема за междукомпонетното съединение.

Преместил се в Далас, Килби започнал работа и бързо се досетил, че от полупроводници може да се изградят всички основни части на електронната схема и да се разположат елементи на една обща матрица, вместо да се запояват един с друг. На 24 юли 1958 г. Килби записал в лабораторния си дневник тази велика идея в едно-единствено изречение.

Когато Килби показал своите чертежи на висшестоящия си колега Едкок, той не проявил особен ентусиазъм, но все пак поръчал на изобретателя да изготви несложна радиосхема по новия начин и обещал благословията си за по-нататъшни опити, ако тя се окаже стабилна. Килби вградил в германиева пластина елементите от една традиционна електронна верига, преобразуваща постоянен ток в променлив (генератор на хармонични трептения). Творението било доста неугледно: върху синкава подложка отделните блокове били свързани чрез метални проводници, които стоели изнесени малко над повърхността. На 12 септември Килби показал своето отроче на шефовете на компанията. Устройството получило ток, и на екрана на осцилоскопа се показала зеленикава синусоида. Първата в света интегрирана микросхема (integrated circuit, оттам на бълг. интегрирана или интегрална) показала своята работоспособност!

"Осморката предатели"

Робърт Нортън Нойс се родил на 12 декември 1927 г. в малкия град Берлингтън в щата Айова. Детските увлечения по авиомоделизъм и радиотехника го довели до докторантура в МИТ, където на 26 г. защитил докторска дисертация по физика. Още в колежа се интересувал от транзисторна техника и поради това започнал работа във филаделфийската компания "Филко".

Подобно на Килби, Нойс бързо направил име в твърдотелната електроника. В началото на 1956 г. го привлякъл Уилям Шокли, и Нойс се установил в Калифорния, в града Маутин Вю в долината Санта Клара, която след петнадесетина години щели да започнал да наричат Силициевата долина. През 1957 г. Нойс и още седем млади таланти основали Fairchild Semiconductor Corporation, работейки заедно с индустриалеца Шърман Феърчайлд. В "осморката предатели", напуснали преди това Шокли поради лошите му управленски способности, влизали още Гордън Мур (да, същият, формулирал Закона на Мур) и швейцарският физик Жак Ерни. От тези хора започнала верига технически нововъведения, довела Нойс до изобретяването на интегралната микросхема.

По повърхността

Новата компания произвеждала транзистори по най-модерния за онези времена метод на дифузия на легиращи добавки. При всичките му качества делът на бракуваните поради замърсяване изделия достигал 90 %. Ерни предложил силициевите матрици да се защитават от повреда чрез тънък слой силициев диоксид. В процеса на производство на транзистора оголвали слоя в зоната на дифузията, а след това го възстановявали, за да се запази изолацията. Адвокатът на компанията Джон Ралс усетил перспективността на тази идея и направил постъпки да се подаде заявка за патент на технологията с възможност за по-широко приложение. Така методът на Ерни легнал в основата на цял ред ПП технологии, известни като планарни технологии или процеси.

Записът на Жан Ерни в лабораторния дневник от 1 май 1959 г., описващ планарната технология на ПП производство

Нойс се досетил, че на оксидния слой могат да се нанесат тънки ленти от мед или друг метал, които да съединят транзистори, кондензатори и други елементи на електронната схема. А от това не било далече и до другата мисъл – че тези елементи могат да се вградят на една силициева подложка с помощта на избирателно внасяне на примеси (легиране). Същата идея точно преди шест месеца осенила и Килби, но, както видяхме, Нойс дошъл до нея по друг път.

Нойс регулярно обсъждал своите прозрения с Гордън Мур, а той ги приемал без особени възражения. На 23 януари 1959 г. Нойс описал своето изобретение на 4 страници от лабораторния дневник.

В същото време в Далас

Още през септември 1958 г. Килби и неговите помощници изработили по новия метод друга електронна схема – ПП тригер. Въпреки това ръководството на "Тексас Инстрюмънтс" не бързало с разгласяването на новото изобретение, нито с получаването на патент за него.

Но на 28 януари 1959 г. в Далас се раздвижили: дошъл слух, че конкурентната компания RCA разработвала свой микрочип и съвсем скоро ще го патентова. Сведението се оказало лъжливо, но предизвикало безпокойство. "Тексас" си обърнали към вашингтонска адвокатска кантора да оформи колкото се може по-бързо правата на изобретението на името на Джек Килби. За изготвяне на документацията потрябвала монтажната схема на микрочипа. В това време Килби вече осъзнал, че трябвало да се избави от изведените над подложката проводници, и пристъпил към изработка на аналог на вече открития от Жак Ерни планарен процес.

Въпреки това в качеството на илюстрация към патентната заявка Килби представил схема на един от първите си чипове – с монтирани по стария начин златни проводници. Наистина, той заявил, че проводящите писти могат да се "печатат" – да се нанасят непосредствено върху изолиращото покритие, но не отишъл по-далеч. На 6 февруари Патентното ведомство на САЩ регистрирало заявката на Килби.

Патентните войни

На тази наглед маловажна подробност било съдено да играе главната роля в патентната война между Далас и Силициевата долина. В началото на 1959 г. компанията "Феърчайлд" пуснала в продажба своя първи оригинален продукт – транзистор, произведен по метода на двойната дифузия. Интегралната схема Нойс оставил "за резерв" – тогава смятал, че няма причини да се бърза, и легирането върху силиций засега останало в лабораторния му дневник. Обаче в началото на март той и колегите му узнали, че "Тексас инстрюмънтс" скоро ще обяви началото на производството на интегрални твърдотелни схеми. Така и станало – изобретението на Килби било демонстрирано на 24 март в Ню Йорк по време на годишната конференция на Института по радиотехника. По това време вече инженерите на "Тексас" били изготвили достатъчно интегрални схеми без "стърчащи" проводници, които били показани на стенд. Макар за по-отбрана и подготвена аудитория да не би могло и да се мечтае, новината не заинтересувала особено зрителите. Даже професионалното издание "Електроникс" споменало за събитието едва след две седмици, и то в един-единствен абзац.

Обаче в Калифорния мигновено усетили, че "Феърчайлд" са заплашени от загуба на предимството. Нойс разбирал, че неговата патентна заявка трябва съществено да се отличава от тази на конкуренцията. Затова двамата с Ралс изрично подчертали, че последната доработка на Нойс прави излишни изнесените проводници, и поставили ударението върху единната силициева подложка. Друго не можели и да направят, тъй като към тогава изобретателят така или иначе нямал още действащ образец на микрочип върху силициева подложка. Съдържанието на документите, описващи патента на Килби, те още не знаели (Патентното ведомство на САЩ не разкрива такава информация, когато документите на някакво изобретение са вече приети за разглеждане), но Нойс имал основания да предполага, че по тази част неговата компания е преди тексаските конкуренти.

Последвала десетодишна съдебна битка. Правистите на двете страни проявили невероятно хитроумие, но в крайна сметка победата останала за Нойс. На 6 септември 1969 г. Апелативният съд го признал за безспорен изобретател на микрочипа. Килби обжалвал във Върховния съд на САЩ, но не получил удовлетворение.

Най-интересното е, че съдебното решение практически нищо не изменило. И професионалистите, и ръководителите, и широката общественост вече знаела, че микрочипът има двама пълноправни автори. И двамата изобретатели получили Националния медал за наука (Килби през 1969 г., Нойс през 1979) и Националния медал за технология (съответно през 1990 и 1987). Освен това, почти в никаква степен не пострадали и финансовите интереси на двете фирми. През 1966 г. "Тексас инстрюмънтс" и "Феърчайлд" си признали равни права върху интегралната схема (други компании, желаещи да произвеждат микрочипове, трябвало да закупуват лицензи).

От ракетата до калкулатора

Интегралните микросхеми били пуснати в серийно производство в началото на 1961 г., защото едва тогава се появила съответната технологична база. Първа ги пуснала в продажба (в 6 варианта) компанията "Феърчайлд" под името "микрологически елементи". След няколко седмици на пазара се появили и чипове от "Тексас инстрюмънтс" – те ги нарекли "твърдотелни вериги". Не били подходящи за битова електроника, тъй като стрували доста скъпо (отначало повече от 100 долара за брой). Поради това се използвали другаде. Микрочиповете станали основа на електрониката в междуконтиненталната ракета Minuteman II, на изстрелваните от подводници балистични ракети Polaris А2 и А3, на бордовата електроника на нови военни самолети и др. През ноември 1963 г. бил изстрелян спътникът Explorer-18 – първият въздушен кораб, пълен с микрочипове. В тази година в САЩ били продадени половин милион ИС, а след година – вече два милиона. Трябва да се напомни обаче, че по това време дори най-съвършените ИС съдържали не повече от 60 компонента.


Логическа ИС в космически кораб "Аполо"


Тогава, през 1964 г., микрочиповете започнали да се появяват и в битовата електроника – напр. в слуховия апарат Arcadia на компанията "Зенит". Но истинският им триумф се състоял през 1971 г., когато "Тексас инстрюмънтс" пуснала в продажба първия истински електронен калкулатор Pocketronic (той се появил в магазините на 14 април, а това е в навечерието на официалната дата за представяне на данъчните декларации в САЩ). Хората на Килби го разработвали четири години прди това – това било обусловено от трудностите да се внедри в масово производство. Устройството печатало резултатите на топлочувствителна хартия, не всички модели имали дисплеи и можела да изпълнява четирите основни аритметични действия. А през ноември 1971 г. компанията "Интел", създадена от напусналите "Феърчайлд" Нойс и Мур, представила първия в световната история универсален микропроцесор - Intel 4004.

Първите в света

Първият полупроводников компютър CDC-1604 се състоял от 25 000 транзистора. Заемал огромна зала, изпълнявал 34 000 изчислителни цикъла в секунда и потребявал 15 кВт електроенергия.

CDC-1604


Intel 4004 вече имал 2300 транзистора и изпълнявал 92 000 инструкции за секунда, а "горял4 не повече от 1 ват

Мозъкът на първия джобен калкулатор Pocketronic бил построен на основата на три ИС "Тексас инстрюмънтс" - TMC1731, TMC1732 и TMC1730.

Идея и осъществяване

Интересно е, че изначалната възможност за интеграция на всички елементи на електронната верига без изключение върху една ПП матрица била осъзната за пръв път още в първата половина ан 50-те години. Пръв до нея дошъл английският инженер по електроника Джефри Дамър, който през май 1952 г. представил такъв доклад на конференция във Вашингтон. Пет години по-късно той даже построил модел на такова устройство и го демонстрирал на международен симпозиум. Но твърде често в историята на техниката нещата стават на принципа "някой прави нещо първи, но друг прави същото нещо добре".

От малки до гигаголеми

Съвременна ИС с милиони обединени елементи на един силициев кристал

От момента на първоначалната разработка количеството елементи в ИС непрекъснато растяло. Всяко такова повишение показвало ръст на степента на интеграция. Съществуват различни класификации на ИС по степен на интеграции, но те изглеждат примерно така. Ако схемата съдържа до 100 елемента, се отнася към малките ИС (small-scale integration – малка степен на интеграция). До 1000 – става средна степен (medium-scale integration). Увеличат ли се тези 1000 десет пъти – получава се ИС от large-scale integration – висока степен на интеграция. Свръхголемите ИС побират до 1 мнл. Елемента (very-large-scale integration), до 1 млрд. - ultra-large-scale integration (ултраголяма) – и над 1 млрд. - wafer-scale integration – гигаголяма ИС. Понякога последните два класа се отнасят към подкласовете на свръхголемите ИС. Малко встрани от тази класификация стоят "системите на кристал" (SoC, system-on-a-chip), представляващи едно завършено устройство, изпълнено върху един силициев кристал. А тъй като вече сме 2015 г., бихме могли да говорим и за ИС с триизмерна архитектура (3D-IC).

Страница на статията : 0102

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Технологии
Коботи срещу COVID-19
07 юли 2020 в 12:53
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.