Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology - Chris Miller

Глава 2. Выключатель

Уильям Шокли давно предполагал, что если удастся найти лучший "выключатель", то это будет сделано с помощью материалов, называемых полупроводниками. Шокли, родившийся в Лондоне в семье горного инженера-путешественника, вырос среди фруктовых деревьев в сонном калифорнийском городке Пало-Альто. Будучи единственным ребенком, он был абсолютно убежден в своем превосходстве над всеми окружающими и давал всем это понять. Он поступил в колледж при Калифорнийском технологическом институте в Южной Калифорнии, затем защитил докторскую диссертацию по физике в Массачусетском технологическом институте и начал работать в Bell Labs в Нью-Джерси, которая в то время была одним из ведущих мировых центров науки и техники. Все его коллеги считали Шокли несносным, но при этом признавали, что он был блестящим физиком-теоретиком. Его интуиция была настолько точной, что один из коллег Шокли сказал, будто может реально видеть электроны, когда они проносятся по металлам или соединяют атомы вместе.

Полупроводники - область специализации Шокли - представляют собой уникальный класс материалов. Большинство материалов либо свободно пропускают электрический ток (например, медные провода), либо блокируют его (например, стекло). Полупроводники отличаются от них. Сами по себе полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, подобны стеклу, практически не проводящему электрический ток. Но при добавлении определенных материалов и приложении электрического поля ток может начать течь. Например, добавление фосфора или сурьмы к полупроводниковым материалам, таким как кремний или германий, позволяет протекать отрицательному току.

"Легирование" полупроводниковых материалов другими элементами открыло возможность создания новых типов устройств, способных создавать электрические токи и управлять ими. Однако освоение движения электронов по полупроводниковым материалам, таким как кремний или германий, оставалось далекой мечтой до тех пор, пока их электрические свойства оставались загадочными и необъяснимыми. Вплоть до конца 1940-х годов, несмотря на все усилия физиков, накопленные в Bell Labs, никто не мог объяснить, почему пластины полупроводниковых материалов ведут себя столь загадочным образом.

В 1945 г. Шокли впервые теоретизировал то, что он назвал "твердотельным клапаном", нарисовав в своем блокноте кусок кремния, присоединенный к девяностовольтовой батарее. Он предположил, что если поместить кусок полупроводникового материала, такого как кремний, в присутствии электрического поля, то это может привлечь "свободные электроны", хранящиеся внутри, к скоплению у края полупроводника. Если электрическое поле притягивало достаточное количество электронов, то край полупроводника превращался в проводящий материал, например в металл, в котором всегда имеется большое количество свободных электронов. В этом случае через материал, который до этого вообще не проводил электричество, мог начать протекать электрический ток. Вскоре Шокли построил такое устройство, рассчитывая, что прикладывая и снимая электрическое поле к куску кремния, он сможет заставить его работать как клапан, открывая и закрывая поток электронов через кремний. Однако когда он провел этот эксперимент, то не смог обнаружить никакого результата. "Ничего не поддается измерению", - пояснил он. "Весьма загадочно". На самом деле простые приборы 1940-х годов были слишком неточны, чтобы измерить крошечный ток, который протекал.

Два года спустя двое коллег Шокли из Bell Labs разработали аналогичный эксперимент на другом типе устройств. Если Шокли был гордым и несносным, то его коллеги Уолтер Браттейн, блестящий физик-экспериментатор с животноводческой фермы в сельской местности Вашингтона, и Джон Бардин, ученый из Принстона, ставший впоследствии единственным человеком, получившим две Нобелевские премии по физике, были скромны и мягко воспитаны. Вдохновленные теориями Шокли, Браттейн и Бардин создали устройство, в котором две золотые нити, присоединенные проводами к источнику питания и к куску металла, прикреплялись к блоку германия, причем каждая нить касалась германия на расстоянии менее миллиметра от другой. Днем 16 декабря 1947 года в штаб-квартире Bell Labs Бардин и Браттейн включили питание и смогли контролировать ток, проходящий через германий. Теории Шокли о полупроводниковых материалах оказались верными.

Компания AT&T, которой принадлежала Bell Labs, занималась производством телефонов, а не компьютеров, и рассматривала это устройство, названное впоследствии "транзистором", в первую очередь как полезное для усиления сигналов, передающих телефонные звонки по ее обширной сети. Вскоре стало ясно, что транзисторы могут усиливать ток, поэтому они будут полезны в таких устройствах, как слуховые аппараты и радиоприемники, заменяя менее надежные вакуумные трубки, которые также использовались для усиления сигнала. Вскоре Bell Labs начала оформлять патентные заявки на это новое устройство.

Шокли был взбешен тем, что его коллеги нашли эксперимент, подтверждающий его теории, и был полон решимости превзойти их. На Рождество он на две недели заперся в номере чикагского отеля и начал придумывать различные конструкции транзисторов, основываясь на своем беспрецедентном понимании физики полупроводников. К январю 1948 г. он разработал концепцию транзистора нового типа, состоящего из трех кусков полупроводникового материала. На двух внешних кусках будет избыток электронов, а на куске, расположенном между ними, - недостаток. Если к среднему слою "сэндвича" прикладывался крошечный ток, то по всему устройству протекал гораздо больший ток. Это преобразование малого тока в большой было тем же процессом усиления, который продемонстрировал транзистор Браттейна и Бардина. Но Шокли начал понимать и другие возможности использования этого транзистора, например, в качестве "твердотельного вентиля", о котором он уже говорил ранее. Он мог включать и выключать большой ток, манипулируя малым током, подаваемым в середину этого транзисторного сэндвича. Включение, выключение. Включение, выключение. Шокли сконструировал переключатель.

Когда в июне 1948 г. Bell Labs провела пресс-конференцию, на которой объявила, что ее ученые изобрели транзистор, было нелегко понять, почему эти проводные блоки из германия заслуживают специального объявления. Газета New York Times похоронила эту историю на 46-й странице. Журнал Time поступил лучше, сообщив об изобретении под заголовком "Маленькая клетка мозга". Однако даже Шокли, никогда не недооценивавший собственной значимости, не мог себе представить, что вскоре тысячи, миллионы и миллиарды этих транзисторов будут использоваться в микроскопических масштабах, чтобы заменить человеческий мозг в вычислительных задачах.

Глава 3. Нойс, Килби и интегральная микросхема

Транзистор мог заменить вакуумные лампы только в том случае, если его удастся упростить и продавать в широких масштабах. Теоретизирование и изобретение транзисторов было лишь первым шагом; теперь предстояло производить их тысячами. Браттейн и Бардин мало интересовались бизнесом и массовым производством. В душе они были исследователями, и после получения Нобелевской премии продолжили свою карьеру, занимаясь преподаванием и экспериментами. Амбиции Шокли, напротив, только росли. Он хотел быть не только знаменитым, но и богатым. Он говорил друзьям, что мечтает видеть свое имя не только в научных изданиях, таких как Physical Review, но и на