Время собирать кремни

       95 лет назад, 23 мая 1908 года, родился американский ученый Джон Бардин — единственный в мире дважды лауреат Нобелевской премии по физике. Первую он разделил в 1956 году с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном за открытие транзисторного эффекта, а вторую — в 1972-м с Леоном Купером и Джоном Шриффером за создание микроскопической теории сверхпроводимости. Впрочем, это не так уж важно. Гораздо важнее то, что транзистор, увидевший свет в канун Рождества 1948 года, стал краеугольным камнем Великой кремниевой революции, в результате которой появились персональные компьютеры.

Усилитель технического прогресса
       История изобретения полупроводниковых усилителей — транзисторов — вышла драматичной, несмотря на ее скоротечность. И хотя вся она уместилась в два послевоенных десятилетия, чего в ней только не было. "Пролеты" конкурентов удачливой тройки: находясь буквально в сантиметрах от открытия, они не разглядели его и прошли мимо, в том числе мимо Нобелевской премии. Ученики, настолько хорошо усвоившие идеи учителя, что чуть было не оставили его без той же Нобелевки: их раздосадованному шефу пришлось за неделю совершить невозможное, чтобы нагнать свою шуструю команду. Сам транзистор, появившийся на свет в результате нелепой ошибки одного из героев этой истории (Браттейна), измученного затяжной полосой неудач. Слепота массмедиа, сообщивших об одном из главных технологических переворотов ХХ века мелким шрифтом на последних полосах. Драматична судьба и двух других участников исторического события. Потеряв интерес к открытой ими золотой жиле, оба переключились на иные направления, принесшие Бардину вторую Нобелевку, а Шокли — общественное презрение и потерю лица в научном сообществе. До того Шокли успел растерять и лучших сотрудников: сбежав из его фирмы и создав собственную, они разбогатели и прославились как создатели первых интегральных схем.
       К середине прошлого века замена громоздких, капризных, энергоемких и недолговечных электровакуумных ламп стояла на повестке дня, и к решению этой задачи одновременно подбирались сразу несколько ученых и целых исследовательских групп. Хотя все началось еще раньше, в 1833 году, когда великий английский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Спустя без малого век, в 1926-м, соотечественник Фарадея Джулиус Эдгар Лилиенфилд получил патент под названием "Метод и прибор для управления электрическими токами", фактически предвосхитив (но так и не построив) транзистор. А сразу же по окончании второй мировой войны основательным изучением электропроводных свойств полупроводниковых материалов занялись специалисты научно-исследовательской фирмы Bell Telephone Laboratories, чья штаб-квартира располагалась в Марри-Хиллз (штат Нью-Джерси).

С этого германиевого "динозавра" образца 1947 года начинался путь к современному миниатюрному микрочипу

Именно там под руководством видного теоретика Уильяма Шокли был создан один из первых "мозговых центров" (think tank, что на сленге означает "башку, которая хорошо варит") в истории американской науки. Шокли еще до войны пытался решить задачу повышения проводимости полупроводников с помощью внешнего электрического поля. Эскиз прибора в рабочем журнале ученого за 1939 год весьма напоминал нынешний полевой транзистор, однако испытания тогда закончились провалом. А к концу войны в полупроводники успели поверить не только многие коллеги Шокли, но, что важнее, потенциальные заказчики и инвесторы — большой бизнес и оборонка. Немалую роль в том сыграл прогресс созданных во время войны радаров, в основе которых лежали полупроводниковые детекторы.
       Первым делом Шокли пригласил в Мари-Хиллз бывшего однокашника, теоретика Джона Бардина, которого переманил из университета, предложив в два раза больший оклад. Кроме них в состав группы входили пять специалистов: еще один теоретик, два экспериментатора, физикохимик и инженер-электронщик. Капитан этой команды ученых поставил перед ней ту же задачу, над которой бился до войны. Однако и вторая попытка привела к отрицательному результату: изменить электропроводность полупроводниковых кремниевых пластин не смогли даже сильные внешние поля. Правда, на сей раз Бардин, работавший в связке с экспериментатором Уолтером Браттейном, с которым сдружился еще в колледже (где их объединила не только работа, но и увлечение гольфом), смог хотя бы объяснить причину неудачи. Если не вдаваться в технические детали, то из созданной им теории так называемых поверхностных состояний следовало, что управляющие металлические пластины, с помощью которых ученые воздействовали на полупроводниковый образец, и не могли дать желанного эффекта. Для получения положительного результата их следовало заменить на заостренные (игольчатые) электроды.
       Друзья-коллеги так и поступили, и снова — ничего. Казалось, группа зашла в тупик, но тут законченный трудоголик Браттейн, про которого говорили, что он может крутить ручки осциллографа по 25 часов в сутки ("лишь бы было при этом с кем поболтать"), неожиданно сорвался и совершил непростительную для профессионала ошибку. Что он там конкретно замкнул не так и какие полюса перепутал, в состоянии понять и оценить по достоинству только специалист-физик; для остального человечества важен результат той ошибки, ставшей поистине золотой. Подсоединив электрод не туда, куда надо, Браттейн с удивлением зафиксировал резкое усиление входного сигнала: полупроводник заработал!
       
Проваленная премьера
       Первым, кто сразу же оценил всю прелесть совершенной ошибки, был Бардин. Вместе с Браттейном он продолжил движение в "неправильном" направлении, начав экспериментировать с кристаллом германия, обладавшим большим, чем у кремния, сопротивлением. И 16 декабря 1947 года друзья продемонстрировали остальным участникам группы первый полупроводниковый усилитель, названный позже точечным транзистором. Это был уродливый на вид германиевый брусок с торчащими из него закрученными усиками-электродами. Как именно он действует, в ту пору понимал, очевидно, один Бардин: тут же выдвинутая им гипотеза об инжекции (испускании) зарядов одним электродом (эмиттером) и их собирании другим (коллектором) была выслушана коллегами в недоуменном молчании. Их можно было понять: подтверждения теоретической правоты Бардина пришлось ждать годы.

Транзистор не появился бы, если бы Браттейн (справа) не сделал бы его по ошибке, Бардин (в центре) не объяснил, как он работает, а Шокли не подвел за неделю под открытие теоретическую базу

Официальная презентация нового прибора состоялась через неделю, в предрождественский вторник 23 декабря, и эта дата вошла в историю как день открытия транзисторного эффекта. Присутствовал весь топ-менеджмент Bell Telephone Laboratories, сразу оценивший, какие золотые горы в радио и телефонии сулит компании новое изобретение. В мрачном расположении духа пребывал лишь снедаемый ревностью руководитель группы. Шокли считал себя автором идеи транзистора: он же первым преподал своим удачливым ученикам основы квантовой теории полупроводников, однако его непосредственного вклада в создание первого рабочего транзистора никакое патентное бюро при всем желании не разглядело бы и в лупу.
       Вдвойне несправедливо было и то, что Шокли раньше других оценил совершенно фантастические перспективы, которые сулил транзистор в иной области — стремительно прогрессировавшей вычислительной технике. Тут уже определенно светила Нобелевка, и Шокли, обладавший огромным честолюбием, совершил фантастический рывок, чтобы успеть на уходящий поезд. Буквально за неделю ученый создал теорию инжекции и более основательную, чем бардинская, теорию транзистора (так называемая "теория p-n-переходов"), а в новогоднюю ночь, когда коллеги исследовали в основном шампанское, придумал еще один тип транзистора — плоскостной (его еще называют "бутербродным").
       Героические усилия честолюбивого Шокли не пропали даром: спустя восемь лет он вместе с Бардином и Браттейном разделил заветную премию. На торжествах в Стокгольме, кстати, вся троица в последний раз собралась вместе и больше никогда в полном составе не встречалась (о причинах речь пойдет ниже). Кроме всемирной славы соавторы открытия получили еще и внушительное материальное вознаграждение: на каждого в ту пору пришлось примерно по 100 тыс. шведских крон (что сегодня соответствовало бы примерно 700 тыс. крон, или чуть меньше $100 тыс.). Но до того произошло еще много разнообразных и значительных событий.
       Через полгода после удачной премьеры транзистора в нью-йоркском офисе фирмы состоялась презентация для прессы нового усилителя. Однако реакция СМИ, вопреки ожиданиям, оказалась более чем вялой. На одной из последних полос (46-й) газеты The New York Times от 1 июля 1948 года в разделе "Новости радио" появилась короткая заметка: "Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием 'транзистор', который в ряде случаев можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор был применен в схеме радиоприемника, не содержащего обычных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны. Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 мм, совсем не похож на обычные лампы, в нем нет ни полости, из которой откачан воздух, ни сетки, ни анода, ни стеклянного корпуса. Транзистор включается практически мгновенно, не требуя разогрева, поскольку в нем отсутствует нить накала. Рабочими элементами прибора являются лишь две тонкие проволочки, подведенные к куску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток".
       Такое явно не тянуло на сенсацию, особенно в конце июня 1948 года, когда все американские СМИ были заняты обсуждением советской блокады Западного Берлина, начатой за неделю до презентации транзистора. Изобретение троих ученых померкло на фоне "воздушного моста", с помощью которого американцы доставляли в блокированный сектор Берлина продукты питания и прочие предметы первой необходимости.
       Поначалу фирме Bell Telephone Laboratories пришлось раздавать лицензии на транзисторы всем желающим, не торгуясь. Спрос был невелик: инвесторы по инерции еще вкладывали огромные деньги в обычные радиолампы, производство которых переживало бум. Однако нашлись одиночки, которые быстро распознали возможности новых полупроводниковых усилителей — прежде всего в неожиданной области: слуховых аппаратов.
       
Микроэлектроника и макроевгеника
       Среди прочих на нью-йоркской презентации присутствовал еще один будущий нобелевский лауреат — в ту пору инженер небольшой фирмы Centralab Джек Сент-Клер Килби. Вдохновленный увиденным, он начал в своей фирме производство первых в мире миниатюрных слуховых аппаратов на транзисторах. А в мае 1958 года Килби перебрался в Даллас и поступил на работу в компанию Texas Instruments, производившую транзисторы, конденсаторы, резисторы и прочие "кубики", из которых составлены электросхемы.
       Когда летом большинство сотрудников отправились в отпуск, Килби "на новенького" оставили потеть в офисе. Кроме всего прочего, ему пришлось заниматься рутинной работой, связанной скорее с бизнесом, чем с физикой. Именно за анализом ценообразования полупроводникового производства ученого посетила гениальная идея, в основе своей чисто экономическая: чтобы производство полупроводников стало рентабельным, компании следует ограничиться выпуском их одних. А все прочие активные элементы схемы (резисторы, конденсаторы) производить на основе того же полупроводника (Килби придумал, как это сделать) уже соединенными в единую компактную конструкцию наподобие детской игры Lego.
       Шеф Килби пришел от идеи сотрудника в восторг и тут же дал ему срочное задание: построить опытную модель схемы, целиком сделанной из полупроводника. 28 августа 1958 года Килби продемонстрировал работавший макет триггера, после чего приступил к изготовлению первой настоящей монолитной интегральной микросхемы на кристалле германия — генератора с фазовым сдвигом. 12 сентября первый в истории простейший микрочип размером со скрепку для бумаг заработал, и этот день также вошел в историю. Однако Нобелевской премии Джеку Килби пришлось ждать почти полвека: ученый получил ее в последний год ХХ века, разделив премию с соотечественником, выходцем из Германии Гербертом Кремером и российским коллегой Жоресом Алферовым.

Если бы не специальные журналы, которые оценили потенциал транзистора, то можно было бы сказать, что Америка проспала одно из крупнейших открытий XX века

Что касается личных и профессиональных судеб трех отцов транзистора, то они оказались различными. Бардин, которого ревнивый до паранойи Шокли начал откровенно затирать, в 1951 году оставил Bell Telephone Laboratories и перешел на работу в Университет штата Иллинойс в Урбане. Дополнительным стимулом послужил редкий в те времена годовой оклад в $10 тыс., положенный новому сотруднику. Спустя пять лет профессор Бардин, уже забывший о полупроводниках и переключившийся на квантовые системы, услыхал по радио о присуждении ему Нобелевской премии. А в 1972-м, как уже говорилось, за созданную вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером микроскопическую теорию сверхпроводимости он получил вторую Нобелевку. Членам Шведской академии в первый и пока единственный раз пришлось даже пойти на нарушение статута премии, согласно которому она не может присуждаться одному и тому же лицу в той же категории (тогда их было уже шесть — физика, химия, медицина и физиология, литература, борьба за мир и экономика). Отметить успех сотрудников Бардина и при этом проигнорировать главного виновника торжества было невозможно, и для Джона Бардина сделали исключение. Почетный член многих академий и советов директоров ведущих фирм (например, Xerox Corporation), член Совета по науке при президенте США, лауреат всевозможных наград (среди которых и наша Ломоносовская премия), он умер в 1991 году в возрасте 82 лет.
       Для Уолтера Браттейна, скончавшегося за четыре года до Бардина, точечный транзистор так и остался пиком научной карьеры. Зато их руководитель Уильям Шокли и после полученной премии активно работал в различных областях, хотя транзисторы в конце концов забросил. При том что с технологической и коммерческой точек зрения его плоскостной транзистор оказался более перспективным, чем точечный Бардина и Браттейна: тот продержался на рынке лишь до конца 1950-х, в то время как плоскостные выпускаются и поныне, и именно на их основе были созданы первые микросхемы.
       Но более всего Шокли прославился в сфере весьма далекой от физики, а по мнению многих — и от науки вообще. В середине 1960-х годов он неожиданно увлекся евгеникой, вызывающей у многих неприятные ассоциации с "арийскими сверхчеловеками", "низшими расами" и тому подобными приветами из недавнего прошлого. Шокли разработал свою модификацию евгеники — дисгенику — теорию неизбежной умственной деградации человечества, в котором с течением времени вымывается интеллектуальная элита (люди с высоким коэффициентом умственного развития), а их место занимают те, у кого недостаток

Если бы не постоянные ссоры и размежевания между молодыми изобретателями, то Кремниевая долина так и не превратилась бы в сосредоточие производителей полупроводниковой техники

интеллекта компенсирован избытком репродуктивной функции. Иными словами — плодовитые и тупые.
       С идеей общего оглупления человечества еще можно было бы согласиться трезвомыслящему человеку, однако Шокли добавил в свои рассуждения расовый момент, записав в число "более плодовитых и более глупых" представителей черной и желтой рас, которые, по его мнению, изначально обладают более низким IQ, чем белые. На том американский физик не остановился и в духе нацистских рецептов предложил свое "окончательное решение" — только не еврейского, а негритянского вопроса. Чтобы бурно размножающиеся и умственно неразвитые черные (а также желтые и слабоумные белые) окончательно не вытеснили на обочину истории высокоинтеллектуальную белую элиту, последней следует побудить первых к добровольной стерилизации. План Шокли, который он неоднократно представлял в американскую академию наук и правительственные учреждения, предусматривал материальное стимулирование людей с низким IQ. За согласие на стерилизацию специальный фонд выплачивал бы вознаграждение из расчета $1000 за каждый пункт ниже эталонных 100 (по разным оценкам, нормой является диапазон 90-110, коэффициент 140 свидетельствует о безусловной одаренности, а выше 160 — это уже уровень гениальности).
       Легко понять, какую реакцию подобные идеи встретили у коллег Шокли. В 1960-е годы о тотальной политкорректности в Америке говорить не приходилось, но и откровенный расизм был уже не в моде. А когда подобные идеи излагал профессор и нобелевский лауреат, то результатом могли быть только шок и возмущение. И как неизбежное следствие — полная обструкция со стороны интеллектуальной элиты, сопровождавшая Шокли до последних дней (он умер от рака в 1989 году). Любопытно, что когда ученый выдвинул против газеты The Atlanta Constitution, сравнившей его идеи с нацистскими, иск в $1,25 млн, суд принял его сторону. Но при этом обязал газету выплатить истцу за нанесенный моральный ущерб... ровно один доллар.
       
Вундеркинды и предатели Кремниевой долины
       По справедливости к тройке лауреатов Нобелевской премии по физике 2000 года — Килби, Кремеру и Алферову — должен был бы присоединиться и американец Роберт Нойс, создавший первую микросхему одновременно с Килби и независимо от него. Однако Нойсу не довелось дожить до конца века, а посмертно эту премию, как известно, не присуждают.
       Любопытно, что первый толчок научной карьере Нойса дал тот же Уильям Шокли — еще до того, как окончательно свихнулся на расовой почве. В 1955 году будущий нобелевский лауреат покинул компанию Bell Telephone Laboratories и основал собственную фирму Shockley Semiconductor Laboratories в южном пригороде Сан-Франциско — Пало-Альто, где прошло его детство. Так был заложен первый камень в основание легендарной Кремниевой (или Силиконовой) долины.

Джек Килби, создавший первую микросхему, ждал Нобелевскую премию почти полвека

Сотрудников Шокли набрал из "молодых, да ранних", не рассчитав ни уровня их амбиций, ни пределов их терпения: характер у него был отвратительный, да и руководителем он себя показал никаким. Не прошло и двух лет, как в фирме сложился невыносимый психологический климат, и восемь лучших сотрудников во главе с Нойсом и Гордоном Муром сбежали из нее, чтобы основать собственную компанию. Гениальных идей у "восьмерки предателей", как заклеймил их Шокли, было хоть отбавляй, чего не скажешь о стартовом капитале. Компаньоны еще не существовавшей компании начали хождение по банкам и инвесторам в поисках денег и после нескольких отказов наткнулись на такого же молодого и амбициозного финансиста Артура Рока, чьим коньком было как раз привлечение инвестиций. Что именно "напели" технари бизнесмену, неизвестно, но, как бы то ни было, он сыграл в их судьбе поистине роковую (в хорошем смысле) роль. Как и в судьбе многих других фирм Кремниевой долины.
       С помощью Рока местная корпорация Fairchild Camera & Instrument согласилась инвестировать в новое дело $1,5 млн, поставив одно условие: она сможет выкупить компанию "восьмерки" за вдвое большую сумму, если у тех дела пойдут в гору. Так была создана компания Fairchild Semiconductor, название которой буквально переводится как "Полупроводник чудо-ребенка". Или в немецком варианте — вундеркинда.
       Вундеркинды из Пало-Альто быстро заявили о себе. Нойс, занявший в компании должность директора по исследованиям и разработкам, сам себя считал отменным лентяем и главное изобретение в жизни сделал, по его собственным словам, просто от лени. Ему надоело наблюдать, как в процессе изготовления микромодулей пластины кремния сначала разрезали на отдельные транзисторы, а затем опять соединяли друг с другом в единую схему. Процесс был трудоемким (все соединения паялись вручную под микроскопом) и дорогостоящим. И в 1958 году Нойс придумал, как изолировать отдельные транзисторы в кристалле друг от друга, что привело к рождению хорошо знакомой нам сегодня микросхемы — пластинки с графическим лабиринтом дорожек из алюминиевых напылений, отделенных друг от друга изолирующим материалом.

Роберт Нойс считал себя отменным лентяем и главное свое открытие, по его словам, сделал из лени. Возможно, поэтому ему так и не дали Нобелевской премии

На первых порах микросхемы с трудом пробивали себе дорогу на рынок, но затем все резко изменилось. Произошло это в начале 1970-х: если в 1969 году Fairchild Semiconductor продала определенный тип микрочипов (на так называемых МОП-транзисторах, почти предсказанных Бардином еще в период работы в Bell Telephone Laboratories) на $15 млн, то спустя два года объем продаж той же продукции подскочил до $100 млн.
       Однако успехи вундеркиндов из Кремниевой долины были омрачены обычными в таких случаях приоритетными дрязгами. Дело в том, что Джек Килби подал заявку на патент микросхемы в феврале 1959 года, а Нойс сделал это только спустя пять месяцев. Однако получил патент первым — в апреле 1961-го, а Килби — только через три года. После этого между конкурентами началась приоритетная десятилетняя война, закончившаяся мирной ничьей: апелляционный суд США подтвердил претензии Роберта Нойса на первенство в технологии, но одновременно постановил считать Джека Килби создателем первой работающей микросхемы.
       Нойс не дожил до положенной ему по праву Нобелевской премии 2000 года ровно десять лет: в 63-летнем возрасте он скончался в своем рабочем кабинете от сердечного приступа. Но до этого успел поставить на ноги еще одну знаменитую компанию, основанную вместе с Муром. Бросив в 1968 году налаженный бизнес в Fairchild Semiconductor — в том же году, кстати, компанию покинули еще восемь сотрудников, впоследствии создавших очередную "звезду" Кремниевой долины — Advanced Micro Devices (AMD),— друзья решили назвать свое новое детище без затей: Moore Noyce. Однако по-английски это звучало более чем двусмысленно, почти как more noise ("больше шума"), и компаньоны остановились на более официальном и содержательном названии — Integrated Electronics. Компания неоднократно меняла имя, и сегодня каждый пользователь персоналок знает ее по нынешнему — Intel.
       Так, спустя два десятилетия после открытия Бардина, Браттейна и Шокли, замкнулся виток Великой кремниевой революции.
ВЛАДИМИР ГАКОВ