История Роберта Нойса: создателя интегральных схем и основателя Intel

Практически все современные электронные устройства вроде смартфонов, мониторов или компьютеров содержат десятки и сотни крошечных интегральных микросхем. Микропроцессоры, преобразователи и усилители сигналов, память и так далее — всего и не перечесть. 

Наш сегодняшний рассказ — о человеке, который приложил руку к созданию ИС, получил прозвище «мэр Кремниевой долины» и вдобавок основал крупнейшую в мире компанию по производству процессоров.

---

Ранние годы

Роберт Нортон Нойс родился 12 декабря 1927 года в семье священнослужителей. И отец Ральф Брюстер Нойс, и мать Гарриет Мэй Нойс проповедовали слово Божие в местном прихода Берлингтона, штат Айова. Примечательно это тем, что Роберт Нойс и двое его братьев в будущем пошли по пути науки и техники, став «воинствующими агностиками». Возможно, чрезмерная религиозность родителей, напротив отвадила юные умы от пути служения Всевышнему — кто знает.

Способности Роберта проявились в нежном 12-летнем возрасте, когда он вместе с младшим братом собрал сначала модель большого самолета, а после — уже самостоятельно — первый радиоприемник. На что, по воспоминаниям Роберта, его родители смотрели с явным неодобрением, ожидая, что мальчик пойдет по пути богослова. 

В старших классах Нойс стал звездой школы в области математики и естественных наук: с блеском решал задачи любой сложности и легко поступил на физический факультет в Гриннелл-колледж. 

При этом парень в буквальном смысле не мог усидеть на месте и все время стремился чем-то заниматься. А когда полезные дела вроде изучения физики заканчивались, куролесил по полной. Например, на первом курсе Роберт украл свинью не у кого-нибудь, а у самого мэра Гриннелла, самолично зарезал и зажарил ее на студенческом празднике. Студенту грозило не только исключение, но и год тюрьмы, однако профессор Грант Гейл, президент колледжа, заступился за талантливого ученика, и дело закончилось штрафом и отстранением на пару недель. 

Ближе к концу обучения, в 1949 году, тот самый профессор физики Грант Гейл, имевший связи в Bell Labs через его президента Оливера Бакли, сумел раздобыть два первых транзистора ^[1], еще не доступных массовой публике. И когда он продемонстрировал их работу 18 студентам, среди которых был и Роберт Нойс, последний испытал настоящий шок от увиденного. Вместо привычных для него громоздких и хрупких радиоламп, которые требовали много места и ломались, Нойс увидел крошечное устройство — транзистор, который был во много раз меньше, надежнее и при этом не уступал радиолампам по характеристикам. Этот момент произвел на него глубокое впечатление и стал поворотным в его карьере.

Заметив, как сильно Роберт Нойс заинтересовался транзисторами, профессор Грант Гейл посоветовал ему поступить в Массачусетский технологический институт (MIT). Гейл считал, что будущее за миниатюризацией и улучшением электронных устройств, и в MIT Нойс сможет лучше развить свои таланты в этой области. Роберт прислушался к совету профессора и решил связать свою жизнь с микроэлектроникой. В 1953 году он получил степень ^[2] по физике и начал искать первую работу в области «транзисторостроения».

И предложений поработать было хоть отбавляй — ведущие лаборатории стремились заполучить как можно больше молодых людей со светлыми головами и двигать направление полупроводников дальше. Нойсу предлагали работу Bell Laboratories, IBM, RCA и Philco, и он выбрал последних ^[3]. 

Все изменилось в 1955 году, когда суперзвезда того времени и кумир Нойса, создатель первого транзистора Уильям Шокли, покинул Bell Labs и основал ^[3] предприятие Shockley Semiconductor Laboratory, чтобы самостоятельно исследовать и производить полупроводниковые элементы на основе германия и кремния. 

Шокли также активно искал таланты по всей стране и обратил внимание на работу Нойса в Philco. Когда последний получил приглашение работать вместе со своим кумиром в Маунтин-Вью в солнечной Калифорнии, то просто не смог отказаться.. В 1956 году Роберт Нойс пополнил команду, которая стала первой высокотехнологичной компанией в этом районе. Позже термин «Кремниевая долина» появился во многом благодаря именно Shockley Semiconductor Laboratory.

Идея туннельного диода и разрыв с Шокли

Забегая вперед: Роберт Нойс проработал в компании Шокли всего один год, после чего покинул ее с огромным скандалом. Одной из причин этого разрыва стало то, что Шокли не допускал мысли, что его сотрудники могут придумать что-то действительно инновационное. Вместо этого он требовал сосредоточиться на развитии своих собственных идей.

Однако, как сам Нойс рассказал на симпозиуме MIT по инновациям в декабре 1976 года, еще в 1956 году он описал идею туннельного диода — за год до того, как Лео Эсаки, удостоенный за это Нобелевской премии в 1973 году, опубликовал свою работу.

Суть заключалась в следующем: существует обычный диод, принцип работы которого применялся и в транзисторе Шокли, где в качестве полупроводника используется, например, германий.

В классическом варианте проводимость достигается за счет добавления двух типов примесей. Добавили в кристаллическую решетку нужное количество одного типа, и вот уже на внешних орбиталях больше электронов, чем у обычных атомов германия. Они становятся избыточными и доступными для проводимости — получаем n-тип. Добавив же другую примесь (точнее легировав), можно получить обратную картину — на внешних орбиталях атомов германия будет меньше электронов (дырок), p-тип. Эти атомы с удовольствием примут лишние электроны у n-типа. 

В диоде два типа примесей контактируют на границе, называемой p-n переходом ^[4]. Здесь создается так называемая запрещенная зона — барьер, препятствующий неконтролируемому переходу электронов в обычном состоянии. Если приложить плюс к стороне с p-проводимостью, а минус — к n-проводимости, то при определенном напряжении через диод потечет ток. Приложим больше напряжения, получим больше тока. Поменяем полярность, и ток не будет протекать до «напряжения пробоя». 

Роберт Нойс сделал поразительное предсказание. Если увеличить концентрации примесей в тысячи раз (сделать его «вырожденным») и приложить к такому диоду прямое напряжение, то ток на определенном участке ВАХ будет увеличиваться с большей скоростью, чем в обычном диоде. А при дальнейшем увеличении напряжения ток внезапно начнет уменьшаться — появится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Здесь и проявляется магия квантового мира — эффект туннелирования ^[5], когда электроны преодолевают барьер с большей энергией, чем обладают сами. Такие свойства дают намного большую частоту переключения, чем в обычных диодах, и позволяют усиливать более высокочастотные сигналы. Подробное описание работы туннельного диода приведено в этой статье ^[6]. 

Нойс обсудил свои идеи с другом Гордоном Муром (тем самым, что сформулировал знаменитый закон Мура ^[7]). И обоим это показалось очень перспективным. Однако когда Роберт показал свои записи Шокли, тот «не проявил никакого интереса к идее». Создатель транзистора посчитал, что сотрудник взял на себя слишком много, отказался исследовать вопрос глубже и призвал сосредоточиться на четырехслойном диоде (его еще называют диодом Шокли ^[8]). Разочарованный Нойс забросил идею и перешел к другим проектам, затаив обиду. 

Спустя год с небольшим японский исследователь Лео Эсаки пришел к той же концепции и создал работающий прототип, который демонстрировал туннельный эффект во всей красе. Его статья «Новое явление в узких p-n переходах германия» ^[9], опубликованная в журнале Physical Review в январе 1958 года, произвела фурор в мире физиков. И как мы писали выше, привела к тому, что Эсаки получил Нобелевскую премию в 1973 году. Отдельно этот случай подробно описывается в статье Лесли Берлин и Х. Крейга Кейси-младшего для журнала IEEE ^[10].

В сентябре 1957 года Роберт Нойс, Говард Мур и еще шесть выдающихся ученых покинули Shockley Semiconductor Laboratory, чтобы основать собственную компанию Fairchild Semiconductor. Фирма Шокли через несколько месяцев закрылась, а ушедшие получили прозвище «Восьмерка предателей» ^[11]. 

Появление интегральных микросхем

Fairchild Semiconductor открыла свою фирму в двухэтажном складском здании, всего в 12 кварталах от офиса Shockley Semiconductor Laboratory, и активно искала пути для развития. Одним из главных направлений Роберт Нойс видел в удешевлении транзисторов — на базе германия они все еще оставались дорогими. 

Нойс предложил заменить основной материал на кремний: он значительно дешевле, поскольку производится из доступного кварцевого песка. Его смешивают с коксом и помещают в печь с температурой до 1700-1800 °C. После чего из технического кремния выращивают монокристаллический высокой частоты, например, при помощи метода Чохральского ^[12]. В идеале Нойс предполагал, что компоненты станут настолько дешевыми, что их будут просто выбрасывать, когда они выйдут из строя. 

Спустя несколько месяцев в Fairchild Semiconductor создали первую модель транзистора на кремниевой подложке 2N696 с коэффициентом усиления 30 и разместили рекламу в журнале Electronics в 1958 году. Этим заинтересовались IBM ^[13] — они приобрели первую партию из 100 транзисторов по 150 долларов за штуку для оснащения бортового компьютера в бомбардировщике B-70. Следующая партия транзисторов 2N697 с большим коэффициентом усиления была продана компании Autonetics: они уже предназначались для систем наведения баллистической ракеты «Минитмен» ^[14]. 

В 1958 году еще один Жан Амеде Эрни, еще один перебежчик из фирмы Шокли, разработал инновационный метод производства транзисторов на кремниевой подложке. Вдохновившись докладом Мохаммеда Аталла из Bell Labs ^[15] про пассивацию диоксидом кремния поверхности кремния, он разработал планарную технологию. Она позволяла изготавливать более надежные транзисторы за счет того, что слой p-n перехода меньше подвергался загрязнению и обладал лучшими характеристиками: например, меньшим током утечки ^[16]. 

Дополнительно сам процесс производства становился намного более дешевым. Fairchild представила планарный транзистор 2N1613 в апреле 1960 года и получила патенты на технологию производства ^[17]. В результате конкуренты были вынуждены перейти на новый метод. Например, Philco закрыли целый завод по производству германиевых PADT ^[18] (Post-alloy diffused transistor) транзисторов. 

В тот момент Роберту Нойсу пришла в голову еще одна гениальная идея, которая стала основой для создания современных интегральных схем. Эта идея была крайне актуальна, так как для практических целей часто требовались целые платы: схемы, построенные на нескольких транзисторах и других компонентах вроде конденсаторов и резисторов. Однако у транзисторов есть свои ограничения по размеру: их можно делать маленькими, но соединение их в сложные разветвленные цепи оставалось трудоемким процессом. Как же можно было соединять их на промышленных масштабах? Проводами? А как обеспечить их изоляцию? Все эти вопросы требовали решения.

Нойс понял, что если бы удалось объединить все эти компоненты в одну единую, выращиваемую на подложке плату небольшого размера, то это нашло бы широкое применение.

В это же время, в 1958 году, инженер Texas Instruments Джек Килби пришел к похожему заключению. Он подумал, что можно создать из полупроводника не только транзистор, но и остальные необходимые элементы, разместив их на единой подложке. Изучив вопрос и посоветовавшись с руководителем, Килби приступил к работе летом 1958 года. 28 августа был завершен первый прототип интегральной схемы на германиевом полупроводнике — это был RC-генератор с фазовым сдвигом на одном транзисторе ^[19]. А 19 сентября ему удалось создать более сложную схему триггера на двух транзисторах.

Он запатентовал свою технологию ^[20] 2 февраля 1960 года. Поначалу особого интереса она не вызвала, пока ее не предложили ВВС США. Те заинтересовались и разместили заказ на 100 штук для своих целей. В апреле 1960 года Texas Instruments анонсировала первую интегральную схему TI 502 ^[21] массового производства. Она содержала два транзистора, четыре диода, шесть резисторов и два конденсатора, расположенные на двух полосках полупроводника. Компоненты соединялись золотыми проводниками. Первоначальная стоимость одной ИС составляла 450 долларов, но к моменту выпуска партии она довольно существенно выросла. 

Однако схема Килби не решала проблему соединения и изоляции и, по сути, представляла собой гибридную интегральную схему. Кстати, вопрос изоляции p-n перехода пытался решить в 1958 году другой первопроходец — Курт Леговец ^[22] из Sprague Electric Company. Он заключался в том, чтобы окружить компоненты (транзисторы, резисторы и конденсаторы) полупроводниковым материалом, легированным противоположным типом примеси. Если подключить его к напряжению, вокруг компонентов образуется  слой из обратно-смещенного p-n перехода ^[23], который будет выступать отличным изолятором. Леговец получил патент ^[24] на свое изобретение, однако руководство не заинтересовалось идеей. 

Роберт Нойс внимательно следил за разработками коллег и понимал их недостатки. В январе 1959 года, сразу после успешного применения планарной технологии для изготовления кремниевых транзисторов, его посетила идея соединить ^[25] все наработки воедино. 

Можно вырастить все компоненты на кремниевом кристалле, изолируя их с помощью метода, аналогичного предложенному Леговецом ^[26], который основан на использовании pn-переходов. Для соединений можно применить инновационный метод нанесения металлических дорожек ^[27] вакуумным напылением поверх оксидного слоя, что позволит сохранить его целостность. При этом производить транзисторы можно большими партиями, в отличие от схем, предложенных Килби.

Нойс выделил группу инженеров Fairchild Semiconductor под руководством Джея Ласта в августе 1960 года, и после нескольких месяцев работы все идеи удалось реализовать. Первое устройство было представлено 27 сентября 1960 года и представляло собой триггер, построенный на четырех транзисторах и пяти резисторах на кристалле кремния толщиной 80 мкм. Это была первая в мире монолитная интегральная схема. 

Примечательно, что патенты Нойса и Килби были поданы независимо друг от друга. В результате после их получения между Texas Instruments и Fairchild Semiconductor произошел патентный спор ^[28], который позже был урегулирован в досудебном порядке. 

В 1961 году Fairchild Semiconductor представила ^[29] на выставке IRE Show серию интегральных схем µLogic, в рамках которой было реализовано несколько вариантов триггеров. После этого они стали активно продаваться для разных задач. Например, разработанные Fairchild Semiconductor интегральные схемы использовались в компьютере Apollo Guidance Computer ^[30], который управлял лунными модулями. 

В 1961-1966 годах Fairchild Semiconductor занимали вторую строчку по продажам полупроводниковых схем в мире, после Texas Instruments (которые, кстати, быстро переключились на планарную технологию изготовления). Третью строчку занимала Motorola. 

В 1967 году продажи компании и ее капитализация резко обвалились: во многом из-за того, что микросхемы Texas Instruments, построенные на основе TTL (транзисторно-транзисторная логика), стали популярными после выхода семейства SN7400 ^[31]. Многие продаваемые микросхемы Fairchild Semiconductor работали на RTL (резисторно-транзисторной) и DTL (диодно-транзисторной) логике и имели меньше вариантов реализации и меньшее быстродействие ^[32]. 

В 1968 году Нойс вместе с Гордоном Муром и еще одним членом «Восьмерки» Энди Гроувом покинули Fairchild Semiconductor, чтобы основать Intel на деньги инвестора Артура Рока. Рекомендуем почитать большое интервью Роберта Нойса ^[25] 1976 года, посвященное изобретению интегральных схем.

Создание компании Intel

Первоначально Нойс и Мур решили назвать компанию не Intel, а просто и со вкусом: Moore Noyce. Но Гроув заметил, что это очень похоже на more noise, «больше шума». Как-то не очень вдохновляюще для компании, производящей электронную продукцию? Тогда 18 июля 1968 года они зарегистрировали компанию с названием NM Electronics (от первых букв фамилий), но к концу месяца изменили на более энергичное и привычное нам Intel. 

Вместо производства логических интегральных схем основатели решили пойти по другому пути и сосредоточиться на разработке полупроводниковой памяти. На тот момент она уже была на рынке: в 1961 году первую плату биполярной памяти представила Texas Instruments. А в 1966 году IBM выпустила 16-битную SP95 ^[33]. Да и в самом Fairchild Semiconductor по этому вопросу велась активная разработка. 

Но в сравнении с доминирующей памятью на магнитном сердечнике ^[34] она была примерно в 100 раз дороже. Именно это и хотел исправить Роберт Нойс: сосредоточиться при этом не только на удешевлении, но и на повышении производительности. 

В 1969 году Intel выпускает свою первую продукцию — 64-битную биполярную SRAM 3101 ^[35], построенную на диоде Шоттке. Это давало отличную скорость время доступа 60 нс — вдвое быстрее аналогов. 

Два месяца спустя появилась 256-битная микросхема SRAM 1101 ^[36], в которой впервые массово использовали технологию МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистора с кремниевым затвором — MOSFET, с гораздо более высокой плотностью кристаллов в корпусе. Да, она потребляла до 1 Вт, и технологию МОП придумали еще в Bell Labs в 1959 году. Но найти способ массового производства, чтобы «упаковать» столько элементов, до этого не удавалось. 

Именно за счет высоких продаж этих двух микросхем Intel инвестировал все больше в производство и найм ведущих инженеров отрасли. И следующий их продукт стал не менее революционным, чем МОП с кремниевым затвором.

В октябре 1970 года Intel представила первую динамическую память с произвольным доступом — DRAM 1103, с тремя PMOS-транзисторами на ячейку. С учетом того, что таких ячеек было 1024, помещенных в компактный и привычный нам сейчас DIP-корпус, а стоимость составляла всего 21 доллар ^[37] — это фактически убило память на магнитных сердечниках. Она быстро стала самым продаваемым полупроводниковым чипом в мире: ее стали производить такие крупные игроки, как Microsystems International, National Semiconductor, Signetics и Synertek. К июню 1974 года было продано 250 000 микросхем ^[38]. 

Это быстро сделало менеджмент компании мультимиллионерами после IPO в октябре 1971 года: Нойс, Мур и Гроув владели по 245 000 акций при цене по 23,5 доллара за акцию ^[40]. При этом стиль управления в Intel был уникальным: топ-менеджмент избегал дорогих корпоративных автомобилей, зарезервированных парковочных мест, частных самолетов, дорогой мебели и прочих характерных атрибутов. Зато каждый был глубоко погружен в производственный процесс. 

Роберт Нойс лично курировал два других революционных проекта: EPROM память и микропроцессор. Первый появился в октябре 1971 года — 2048 бит, информацию в котором можно было стереть, посветив ультрафиолетом через кварцевое окно. 

И наконец, в конце 1971 года (просто вообразите, сколько всего инновационного было выпущено всего за пару лет) на свет появляется легендарный 4004 — первый в истории микропроцессор на PMOS технологии. Имел 4-битную архитектуру и поддерживал 45 инструкций со скоростью 10.8 мкс на одну инструкцию. При этом все умещалось в компактный корпус DIP16, а само устройство стоило всего 60 долларов. Оно позволило заменить используемые в то время сборки на «жесткой» логике и получить невиданную компактность. По сути это был решающий шаг к появлению микрокомпьютеров. 

Чипы 4004, позже замененные на 4040 в 1974 году, стали использоваться повсеместно: измерительные приборы, калькуляторы, радиостанции и еще много где. 1 апреля 1972 года Intel выпустила не менее легендарный 8008 и с этого момента не теряла лидерства в области микропроцессоров (ну разве что в последние годы начались проблемы ^[42], но это — тема отдельной дискуссии). 

Про дальнейшую историю развития Intel есть огромное количество статей и литературы — прежде всего стоит почитать книгу «Intel. Как Роберт Нойс, Гордон Мур и Энди Гроув создали самую влиятельную компанию в мире» ^[43]. Но вернемся к теме статьи — самому Роберту Нойсу. 

Хотя он и не получил Нобелевскую премию за идею туннельного диода, он еще при жизни получил множество наград и даже почетный титул «мэра Кремниевой долины». Вряд ли кто-то еще способствовал такой популяризации кремниевых полупроводников, как Нойс, имевший 15 патентов в этой области. 

• 1966 год — медаль Стюарта Баллантайна ^[44], вручаемая Институтом Франклина. Причем разделил он ее вместе с другим пионером интегральных схема — Джеком Килби из Texas Instruments.

• 1978 год — медалью IEEE «За вклад в кремниевую интегральную схему, краеугольный камень современной электроники». 

• 1979 год — медаль Фарадея ^[45]. 

• 1987 год — Национальная медаль науки «За его изобретения в области полупроводниковых интегральных схем» ^[46].

Роберт Нойс отошел от управления Intel вместе с Говардом Муром в 1987 году — компанию возглавил Энди Гроув и продолжил приводить ее к величию. В 1988 году, в возрасте 61 года, он стал президентом компании Sematech — консорциум, который представлял собой партнерство между правительством США и 14 американскими производителями полупроводников (в том числе, разумеется, Intel) для решения общих производственных проблем. 

Однако все инициативы он не успел реализовать. 3 июня 1990 года Роберт Нойс внезапно скончался от сердечного приступа. И когда его главный конкурент в деле всей жизни — изобретении интегральных схем, Джек Килби получил в 2000 году Нобелевскую премию ^[47], все причастные понимали: рядом с ним должен стоять и Роберт Нойс. Однако согласно параграфу 4 ^[48] устава Нобелевского фонда, премию не могут вручать посмертно. 

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS ^[49] (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS