Цифровая электроника порой приводит в недоумение не только тех, кто не имеет отношения к технологической индустрии, но также и тех, кто непосредственно занят в ней. Это стало чувствоваться особенно остро с течением лет и ростом количества выпускаемой продукции и технического оснащения.

Спросите кого-нибудь, кто работает в сфере онлайн-игр или социальных сетей, как функционирует интегральная схема – элемент, от которого зависит работа этого человека, его нанимателя и всей индустрии в целом. Скорее всего, в ответ вы получите пустой взгляд и, возможно, невнятное бормотание по поводу «кремния» и «полупроводников». Это неудивительно: в конечном счете миры социальных сетей и программирования находятся на шестых или седьмых позициях в основном химическом процессе создания компьютерных чипов. Точно так же можно было бы спросить работника пражского «Макдоналдса», занимающегося приготовлением биг-маков, о корме, потребляемом коровами в Талсе, штат Оклахома.

Это справедливо и для медиа, даже для торговой прессы. Журналист, пишущий, скажем, исключительно о компании Apple и новом поколении iPhone, может не знать ничего о чипах внутри этого устройства, кроме, возможно, имени производителя его центрального процессора или микросхем памяти. Вот причина того, почему информация об индустрии полупроводникового материала встречается крайне редко вне пределов финансовых новостей. Большая часть мужчин и женщин, некогда следивших за новостями бизнеса, ушла в отставку, и теперь новое поколение репортеров, занимающихся технологией и бизнесом, чувствует себя намного более уверенно, рассказывая о Twitter или Facebook.

И жаль. Ведь именно поэтому производство полупроводникового материала более важно для современной глобальной экономики, чем когда бы то ни было: существование всех этих компаний (и тысяч им подобных) зависит от Интернета или сотовой связи, которые функционируют с помощью полупроводниковых компонентов. В отличие от своих предшественников, эти журналисты не следят за изменениями показателей отношений объемов поданных и выполненных заказов, и, как следствие, каждый подъем и спад технологической индустрии становится для них сюрпризом.

По этой причине нам стоит провести краткий урок или освежить знания о компьютерном чипе, интегральной схеме: как она производится, как работает, какие ее разновидности существуют и как они используются?

 

Родословное древо кремния

Электроника, как следует из названия, связана со свойствами каждого отдельного электрона (по сравнению с предшествующим ей электричеством, которое имеет дело с потоком огромного количества частиц).

В сердце всей электроники находится переключатель – причина существования самой науки, – и история электроники, по сути, является историей эволюции переключателя. Самые примитивные переключатели – механические. Это, к примеру, дверь на петлях, или большое устройство для смены стрелок железнодорожных путей, или даже муфта трансмиссии. Все они отвечают за процесс включения и выключения.

Электрический переключатель, как и выключатель света на стене, отключает и включает электрический ток. На настоящий момент в этой сфере мы находимся на техническом уровне 1840-х годов. Следующим значимым прорывом стал электромеханический переключатель, как, к примеру, телеграфный ключ, который использует электрический ток для создания магнитного поля, толкающего механический переключатель вперед и назад намного быстрее. Но все же вам вновь приходится применять физическую силу, а двигающиеся части механизма приходят в действие медленно, нагреваются и быстро изнашиваются.

За этим последовало изобретение в начале XX века первого электронного устройства, вакуумной трубки Audion. По существу, она представляла собой электрическую лампу вместе с вакуумом внутри, но на месте волоконного проводка, испускающего свет при пропускании через него электричества, был помещен эмиттер, выбрасывающий в пространство вокруг себя электроны, которые затем собирались коллектором.

Решающим моментом в использовании этого вакуумного прибора являлось то, что можно было сделать с полученным потоком электронов. Например, вы можете установить второй эмиттер из другого устройства в середине прибора, чтобы прибавить мощности потоку (усилитель), приостановить поток (с помощью резистора) или изменить частоту его повторения (вспомните: электроны являются в одно и то же время и частицами, и волнами, т. е. генератором). Или вы можете извлечь коллектор и дать эмиттеру свободно обстреливать стенки прибора электронами, которые при ударе будут возбуждать светочувствительный материал на плоской стенке, и… получите телевизор и радар.

К концу 1920-х годов вакуумные приборы использовались повсюду, особенно при создании радио. Но со временем проявились и их многочисленные ограничения. Прежде всего они были хрупкими. Много хлопот доставляли радио, оставленные в гостиной на столе, где их можно было легко задеть и уронить на пол. Еще хуже дело обстояло в местах с жесткими условиями, постоянной тряской – на боевых самолетах, в танках, на кораблях. Эти приборы быстро перегревались – в замкнутом, не проветриваемом помещении они могли легко сгореть. А так как выделенное тепло является отработанным продуктом электричества, содержание этих приборов было достаточно затратным. Что характерно, сам успех этих устройств повысил спрос на скоростное выполнение работ, которого приборы не могли достичь. Результат, воплощением которого стал гигантский, словно здание, компьютер ЭНИАК (горячий, как печь, и сосущий энергию из аккумулятора, сжигающий электролампы каждые пару секунд), показал, что эра вакуумных приборов подходит к концу.

Демонстрация полупроводниковых материалов стала настоящей эпифанией для Джона Бардина и Уолтера Бреттейна. Здесь был найден способ воспроизведения работы вакуумных устройств в прочном материале – так появилась «электроника устойчивого состояния». Полупроводники, с их возможностью пропускания основного потока и перекрывания его с помощью небольшого перпендикулярно идущего потока, прекрасно подходили на роль переключателей.

Транзисторы не имели подвижных частей, не были хрупкими, не расточали энергию, излучая тепло. Преимущественно из-за этих свойств транзисторы стали намного меньше, чем вакуумные приборы, и даже могли заряжаться от батарей. Они открыли потенциал нового мира портативной электронной продукции – образцовым достижением в этой отрасли стали широко популярные радиотранзисторы.

Транзистор, нашедший свое высшее воплощение в крошечной металлической коробке, соединенной с тремя ножками выводных контактов, произвел революцию. Все созданные ранее электрические приборы могли быть усовершенствованы при помощи замены их вакуумных трубок транзисторами, сами устройства стали более подходящими в сфере авиа– и ракетостроения.

Более того, существование этих крохотных, маломощных переключателей, а позже и усилителей и других видов микросхем открыло путь различным изобретениям, которые невозможно было создать с помощью вакуумных трубок. Эти изобретения станут причиной возникновения новых гигантских индустрий, каждая из которых будет больше, чем вся индустрия электроники до сих пор. Домашние аудиосистемы, надежные автомобильные радиоприемники, доступные телевизоры, вездесущее транзисторное радио и, что самое важное, компьютеры.

Компьютеры уже существовали на протяжении десятилетия, но в большинстве своем они были электромеханическими, ограниченными в скорости, часто ломались. Большой скачок, произошедший в США, был связан с системой ЭНИАК и ее вакуумными приборами. Несмотря на то что первые компьютеры, работавшие на базе транзисторов, появились лишь в середине 50-х годов, уже в начале десятилетия стало очевидно, что за этим надежным материалом стоит будущее компьютерных технологий. В это же время холодная война, а также космическая гонка, начавшаяся с запуска советского Спутника-1 в 1957 году, явились гарантией того, что в обозримом будущем государственный спрос на транзисторы будет лишь повышаться.

Вот почему транзисторы получили столь широкое распространение и стали решающим изобретением. Именно за счет более высокой скорости и концентрированности действия эти устройства вскоре станут дешевле, их можно будет уронить с крыши здания (а в будущем и послать в открытый космос), и они продолжат работать. С транзистором технология создания современных интегральных микросхем обрела свой новый порядок. И если сначала путь не был очевиден, и чтобы проложить его, потребовались усилия пары-тройки гениев и тысяч способных инженеров, то впоследствии от транзисторов через интегральные схемы к микропроцессорам вела прямая и ясная тропа.

 

От технологий аналоговых к цифровым

Теперь мы должны проследить за вторым историческим путем. Но не волнуйтесь, совсем скоро они пересекутся.

Окружающий нас мир непрерывен за счет постоянства времени и пространства. Все изогнуто; прямые линии практически не появляются в природе. Объекты фактически не обладают четкими границами. Время никогда не останавливается. Мы воспринимаем Вселенную как континуум.

Но что, если вы хотите измерить природный мир, а затем воспользоваться информацией об этих измерениях? Оказывается, это очень сложно. Так как мир непрерывен, события и явления появляются в нем в виде волн с разными амплитудами, и информация, которую вы можете собрать, также волнообразна, она является аналоговой. Но аналоговой информацией сложно пользоваться, нужный сигнал тяжело отличить от побочного шума.

Тем не менее если вы будете измерять природный мир не по его поведению, но на основе того, есть ли в нем нечто или нет, то события станут легко опознаваемыми. Затем, если вы проведете каждое отдельное измерение действительно быстро, вы также сможете узнать о форме и мощности события. Это взгляд на мир с цифровой точки зрения. Преимущество цифровых данных состоит в том, что их легче собрать и ими легче управлять. Недостатком является тот факт, что они, как и математические исчисления, всегда будут оставаться лишь приблизительным измерением реальности. Но, как и в случае с вычислениями, если вы соберете достаточно примеров, у вас появится возможность построить модель, чертовски близкую к реальности.

Вот почему до начала XX века существовало лишь малое количество цифровых информационных устройств. Они могли измерять температуру дважды в неделю и вычислять среднее значение – это не было так уж полезно. Но с появлением вакуумных трубок и транзисторных переключателей стало возможно делать эти измерения десять, сто раз, а сегодня и почти миллиард раз в секунду. Все это остается приближенным к реальности значением, но столь близким, что различия в целом неважны (и в будущем, когда скорость измерения пересечет черту самых кратковременных событий во Вселенной, это действительно не будет иметь значения).

Отсюда начинает свой путь развитие цифровой электроники: появился способ измерять и использовать разрозненные данные так быстро и в таком объеме, что результат мог быть без страха применен в любой человеческой деятельности (даже в полетах в космос) и при любом природном явлении. Такая реальность лежит в основе Закона Мура: каждые пару лет цифровая технология увеличивает возможность запечатления и воспроизведения реальности в два раза. И каждый раз, когда это происходит, все больше новых продуктов, предприятий и индустрий получает возможность к существованию. Вот почему каждый предприимчивый бизнесмен или ученый попытался сделать все возможное для того, чтобы запрыгнуть на поезд Закона Мура, даже если это удалось (как в случае с проектом «Геном человека») только части индустрии (в данном случае – эмпирическому направлению, геномике).

Все же даже в случае транзисторов процесс сбора данных о природном мире еще не был окончен. Недостаточно было просто свести окружающую реальность к арифметическим выкладкам. Вы просто не можете заставить машину сложить два числа, даже если вы объясните ей, как работает сложение.

К счастью, решение было уже под рукой. Булева алгебра, созданная в 1845 году, была рассчитана на то, чтобы быть математикой ценностных значений, в которых значение «истинно» соответствовало единице, а значение «ложно» – нулю. Оказалось, что ее система 1 и 0 подходила и для обозначения положений переключателя, а в эпоху чипов – состояний путей транзисторов Федерико Фаджина. В Булевой алгебре любое число, буква или символ могли быть преобразованы в набор битов вида 1 или 0, выстроенных в байты размером от 4-х до 128-ми битов для еще большей точности (так, 8-битные процессоры превратились в 128-битные, что повысило их функциональность).

Комбинация технологии транзисторов (особенно в форме интегральных микросхем) и Булевой алгебры стала толчком для цифровой эры, частью которой мы до сих пор являемся.

Процесс применения всех аппаратов, рассчитанных на использование вакуумных трубок, к транзисторам (наравне с постоянно возникающими новыми устройствами) был закончен лишь наполовину, когда появились интегральные микросхемы и запустили процесс переноса функций заново. Идея Джека Килби, план Роберта Нойса и планарный процесс сделали транзистор более простым, легким для производства и, что важнее всего, масштабируемым, т. е. воспроизводимым в больших объемах, и все это на одном чипе. Теперь гонки развернулись за применение новой технологии интегральных микросхем (или, по крайней мере, ее основополагающего процесса) во множестве электронных устройств. Индустрия полупроводников довольно быстро распалась на куски в погоне за этими разными возможностями.

Существовало три пути, по которым было возможно движение. Дискретные устройства были продолжением одиночных линеек транзисторов, которые создавались уже на тот момент (такие, как светоиспускающие диоды для панелей контроля). Линейные устройства использовали технологию полупроводников для конструирования аналоговых чипов (таких, как усилители для высокотехнологичных аудиосистем). На этом поприще свои гениальные способности проявил Боб Видлар. Наконец, существовали интегрированные устройства – интегральные микросхемы, которые изменили мир.

Также производители начали задумываться над материалом для конструирования чипов и способами их проектирования. Большая часть ранних транзисторов была сделана из германия – легированного изоляционного материала. Германий особенно устойчив к разрядам, радиации и теплу, что делало его подходящим для применения в авиакосмической и военной промышленности. К сожалению, кристаллы германия сложно вырастить без примесей и до определенного диаметра, нужного, чтобы затем разрезать его на пластины и чипы. Вот почему коммерческая чиповая индустрия остановила свой выбор на кремнии, который на сегодняшний день выращивается в цилиндрических кристаллах диаметром до 14-ти дюймов.

Из того, что кремний занимал доминирующую позицию в чиповой индустрии на протяжении последних тридцати лет, одержав победу над другими претендентами (например, искусственным сапфиром), вовсе не следует, что он сможет держать первенство вечно. Нанотехнологии могут снять вопрос о примесях и даже устранить необходимость выращивать огромные кристаллы.

Как мы уже успели увидеть, существуют два основных метода построения интегральных микросхем, различаемые по порядку и форме, в которых поочередно выкладываются кремниевые, не-кремниевые (эпитаксиальные) и металлические слои. Биполярный метод существенно более быстрый, а сам продукт более устойчив к теплу и радиации. С помощью метода металла-оксида-полупроводника (МОП) можно получить более хрупкий чип, который тем не менее способствует более высокому уровню интеграции, сто́ит меньше и более удобен для сборки из многих слоев. Хотя МОП выиграл эту гонку (и в ее ходе вывел нескольких участников, например, работодателя Боба Нойса – Philco – из игры), биполярный метод не исчез, заполнив собой определенную нишу. Как вы можете вспомнить, при своем создании Intel задумывалась как компания по производству биполярных транзисторов, так как Fairchild оставил позади большинство своих конкурентов, но лишь затем, чтобы провести всех и стать главным первопроходцем в создании МОП.

Новый вопрос, вставший перед молодыми компаниями по производству чипов, в частности, перед группой компаний, возглавляемых создателями Fairchild (называемых Fairchildren – дети Fairchild), сводился к следующему: какую разновидность чипа нам нужно сконструировать?

Перед ними стояло несколько возможностей. Логические чипы выполняют операции с входящими данными, которые определяются инструкциями программного обеспечения, управляющего компьютером или другой системой. Вместе они составляют центральный процессор (ЦП). Классическим логическим чипом был чип ТТЛ (транзистор-к-транзистору-логика).

Чипы памяти имеют два вида: чипы ЗУПД (запоминающее устройство с произвольным доступом; RAM) сохраняют большой объем данных на долгий период времени. Они являются полупроводниковым эквивалентом дисковой памяти. Эту память они по большей части вытеснили со всех запоминающих устройств (кроме самых больших) уже с момента появления второго поколения iPod компании Apple, заменивших крошечные магнитные диски на чипы с флеш-памятью. Заметим, что чипы ЗУПД не только потрясающе увеличили свою вместимость за последние пятьдесят лет (они являлись основой первоначального графика Гордона Мура), главным образом из-за того, что их было легче всего конструировать. Эволюционировала также и их структура – от статических ЗУПД (SRAM), которым требуются целых шесть транзисторов на один чип и которые сохраняют остаточную память даже после ее очистки, – до динамических ЗУПД (DRAM), которые не имеют себе равных по компактности, но сбрасывают всю информацию из памяти при выключении, и до флеш-памяти, которая является разновидностью памяти, предназначенной только для чтения, но с возможностью редактирования. Это обеспечило ей частоту применения, так как ее легко извлечь и переписать, а также сохранить память без очистки данных. Флеш-память наиболее популярна среди производителей карт памяти, или флеш-накопителей.

Обычно с чипов постоянно запоминающего устройства (ПЗУ, или ROM) можно считать информацию, но не так просто что-либо записать на них. Как правило, чипы ПЗУ содержат в себе оперативную память системы, включая ряд алгоритмов, по которым она выполняет различные задания, в их числе и правила оперирования данными, поступающими от ЗУПД и внешних запоминающих устройств. Для создателей чипов ЗУПД особенную трудность всегда представлял вопрос о возможности изменения этих алгоритмов после встраивания чипа в устройство без последующего его извлечения и замены. Решением этой проблемы стало изобретение чипов ЗУПД с возможностью извлечения (при помощи техники применения ультрафиолетового излучения) и перепрограммирования в процессе создания приборов.

Все эти чипы могли быть в изобилии найдены на главной печатной материнской плате мини-компьютеров 1960–1970-х годов. Другие чипы в еще больших количествах помогали управлять мощностью и движением данных по ЦП.

Тогда инженеры стали задаваться новыми вопросами. Зачем нужно так много чипов, если, благодаря Закону Мура, они становятся все меньше и мощнее? И, что еще важнее, почему все они должны быть монолитными, исполняющими лишь одну функцию? Если мы можем интегрировать один вид микросхем, почему нельзя попробовать сделать то же самое с другими видами?

Таким образом, в конце 1960-х началась работа по перенесению функций почти всех чипов с материнской платы компьютера на разные участки одного чипа, снабженного металлическими каналами, заменившими проводные соединения на печатной плате.

Результатом стал микропроцессор Хоффа-Фаджина-Шимы-Мэйзора, спонсированный компанией Intel, которая уже на протяжении сорока лет является его покровителем и главным разработчиком. К счастью нашего повествования, история Intel (после десятилетия, проведенного в непростом мире накопителей памяти и логических микросхем) во многом связана с этим микропроцессором, величайшим изобретением индустрии полупроводников (и, возможно, всей современной индустрии). Именно поэтому фокус истории смещается с ранних достижений на широчайшем поле полупроводниковых устройств на череду постоянных и предсказуемых видовых усовершенствований новых моделей микропроцессоров: 286-й, 386-й, 486-й, Pentium и т. д.

По крайней мере, так происходило до середины нулевых. Тогда возникли две силы, ставшие причиной разделения линейки микропроцессоров Intel и ее последующего разветвления. Одной из этих сил стала цена: попытки найти оправдание продолжавшемуся изготовлению монолитных процессоров, закрепляющих каждый отдельный микропроцессор на одном чипе, стали слишком дорогими и непривлекательными для покупателей. Другой была «торговая схизма»: с одной стороны, компании интернет-инфраструктуры (например, Cisco) и компании по производству суперкомпьютеров все еще хотели обладать самыми мощными процессорами. Производство высокоэффективных чипов, созданных для этих компаний фирмой Intel, в частности линейка Itanium, продолжало идти по колее, проложенной Законом Мура.

С другой стороны, им был противопоставлен рынок мобильных устройств, готовый пожертвовать производительностью ради удобного размера и прежде всего низкого энергопотребления. Здесь компания ARM взяла бразды правления в свои руки, оставив Intel далеко позади.

Из-за высокого интереса, уделяемого сегодня микропроцессорам и флеш-памяти, легко забыть, что все прочие интегральные, дискретные и линейные устройства, многие из которых были созданы еще в XIX веке, до сих пор производятся в изобилии, в большинстве случаев даже больше, чем когда-либо ранее. Чипы и сейчас являются сердцем любого электронного аппарата. Мы просто перестали обращать на них внимание. И уже ждут своего появления в скором будущем (возможно, всего через несколько десятилетий) абсолютно новые виды переключателей – одинарные транзисторные элементы, молекулярные переключатели, квантовые точки, которые могут стать началом эры постцифровой электроники.