Вернуться назад
Распечатать
Рождение советской ПРО. Осокин против Килби, кто на самом деле изобрел микросхему - «Вооружение»
Существует 3 ранних патента интегральных схем и одна статья о них.
Первый патент (1949) принадлежал немецкому инженеру из Siemens AG Вернеру Якоби (Werner Jacobi), он предлагал использовать микросхемы для, опять-таки, слуховых аппаратов, но никто не заинтересовался его идеей. Далее было знаменитое выступление Даммера в мае 1952 года (его многочисленные попытки продавить финансирование на усовершенствование своих опытных образцов у британского правительства продолжились до 1956 и кончились ничем). В октябре того же года выдающийся изобретатель Бернард Оливер (Bernard More Oliver) подал патентную заявку на способ изготовления составного транзистора на общем кристалле полупроводника, а годом позже Харвик Джонсон (Harwick Johnson) после обсуждения этого с Уолмаркорм (John Torkel Wallmark) запатентовал идею интегральной схемы.
Все эти работы, однако, оставались чисто теоретическими, потому что на пути к монолитной схеме вставали три технологических барьера.
Бо Лоек (Bo Lojek. History of Semiconductor Engineering, 2007) описал их так: интеграция (нет технологичного способа сформировать в монолитном кристалле полупроводника электронные компоненты), изоляция (нет эффективного способа электрически изолировать компоненты ИС), соединение (нет простого способа соединить компоненты ИС на кристалле). Только владение секретами интеграции, изоляции и соединения компонентов с помощью фотолитографии позволило создать полноценный прототип полупроводниковой ИС.
В итоге вышло так, что в США у каждого из трёх решений оказался свой автор, и патенты на них оказались в руках трёх корпораций.
Курт Леговец (Kurt Lehovec) из Sprague Electric Company посетил семинар в Принстоне зимой 1958 года, на котором Уолмарк изложил своё видение фундаментальных проблем микроэлектроники. По пути домой в Массачусетс, Леговец сходу изобрел изящное решение проблемы изоляции – использование самого pn-перехода! Менеджмент Sprague, занятый корпоративными войнами, не заинтересовался изобретением Леговца (да, в который раз отмечаем, что бестолковые руководители – бич всех стран, не только в СССР, впрочем, в США, благодаря куда большей гибкости общества, это и близко не приводило к таким проблемам, в крайнем случае страдала конкретная фирма, а не все направление науки и техники, как у нас), и он ограничился патентной заявкой за свой счет.
Чуть раньше, в сентябре 1958 года, уже упомянутый Джек Килби из Texas Instruments представил первый прототип ИС – однотранзисторный генератор колебаний, полностью повторявший схему и идею патента Джонсона, а чуть позже – двухтранзисторный триггер.
В патентах Килби не была решена проблема изоляции и соединения. Изолятором был воздушный зазор – разрез на всю глубину кристалла, а для соединения он использовал навесной монтаж (!) золотой проволокой (знаменитая «волосяная» технология, и да, она реально использовалась в первых ИС от TI, что делало их чудовищно нетехнологичными), по сути, схемы Килби были гибридными, а не монолитными.
Зато он полностью решил проблему интеграции и доказал, что в массиве кристалла можно вырастить все необходимые компоненты. В Texas Instruments с руководителями было все прекрасно, они сходу поняли, какое сокровище попало им в руки, так что немедленно, даже не дожидаясь исправления детских болячек, в том же 1958 году начали продвигать сырую технологию военным (заодно обложившись всеми мыслимыми патентами). Как мы помним, военные в это время увлеклись совсем другим – микромодулями: и армия, и флот отвергли предложение.
Слева Texas Instruments Type 502 Solid Circuit, официально – первая «микросхема» в истории, неофициально – полноценной микросхемой она не может считаться ни в каком смысле: ни в производственном, ни в концептуальном. В корпусе отчетливо видны дискретные транзисторы, изолированные разрезом и знаменитые ужасные «волосяные контакты», делавшие конструкцию ненадежной, нетехнологичной и безумно дорогой. Справа – первый предсерийный протип ее же, 1959 год. Фото из музея компьютерной истории в Калифорнии (https://www.computerhistory.org)
Однако неожиданно темой заинтересовались ВВС, отступать было поздно, пришлось как-то налаживать выпуск по неимоверно убогой «волосяной» технологии.
В 1960-м TI официально объявило о том, что коммерчески доступна первая в мире «настоящая» ИС Type 502 Solid Circuit. Это был мультивибратор, и компания уверяла, что он находится в производстве, он даже присутствовал в каталоге по $450 за штуку. Однако реальные продажи начались лишь в 1961, цена была сильно выше, а надежность этой поделки была низка. Сейчас, кстати, эти схемы представляют колоссальную историческую ценность, настолько, что длительные поиски на западных форумах коллекционеров электроники человека, владеющего оригиналом TI Type 502, так и не увенчались успехом. Всего их было изготовлено около 10000, так что их раритет оправдан.
В октябре 1961 TI построила для ВВС первый компьютер на микросхемах (8,5 тысяч деталей из которых 587 были Type 502), но проблема была в почти ручном методе изготовления, низкой надежности и низкой радиационной стойкости. Компьютер был собран на первой в мире линейке микросхем Texas Instruments SN51x. Впрочем, технология Килби вообще не годилась для производства и уже в 1962 году от нее отказались после того, как в дело ворвался третий участник – Роберт Нойс (Robert Norton Noyce) из Fairchild Semiconductor.
Первый в мире компьютер на микросхемах – тот самый прототип от TI (фото из архивов Texas Instruments)
У Fairchild было колоссальное преимущество над радиотехником Килби. Как мы помним, компания была основана настоящей интеллектуальной элитой – восемью лучшими специалистами в области микроэлектроники и квантовой механики, сбежавшими из Bell Labs от диктатуры медленно сходящего с ума Шокли. Неудивительно, что результатом их работы немедленно стало открытие планарного процесса – технологии, которую они применили к 2N1613, первому в мире серийному планарному транзистору, вытеснившему с рынка все прочие сварные и диффузионные варианты.
Роберт Нойс задумался – нельзя ли применить такую же технологию для производства интегральных схем и в 1959 самостоятельно повторил путь Килби и Леговица, объединив их идеи и доведя их до логического финала. Так родился фотолитографический процесс, с помощью которого микросхемы изготавливают и сегодня.
Один из забытых пионеров ИС – Жан Эрни, отец планарного процесса, в своей лаборатории. Fairchild Semiconductor 2N709 – первый кремниевый планарный транзистор, введенный в серию в 1961, практически готовая микросхема – осталось добавить на ту же самую подложку еще парочку. Невероятное творение Сэймура Крэя – величайший суперкомпьютер 60-х CDC 6600, собранный в 1963 году на 600000 планарных транзисторах Эрни, этот контракт принес Fairchild по полмиллиона долларов за машину (https://www.computerhistory.org/)
Группа Нойса под руководством Джея Ласта (Jay T. Last) создала первую настоящую полноценную монолитную ИС в 1960 году. Однако компания Fairchild существовала на деньги венчурных инвесторов, и они не сумели поначалу оценить ценность созданного (опять же, беда с начальством). Вице-президент потребовал от Ласта закрыть проект, результатом стал очередной раскол и уход его команды, так родились еще две компании Amelco и Signetics.
После этого руководство, наконец, прозрело и в 1961 выпустило первую реально коммерчески доступную ИС – Micrologic. Еще год ушел на то, чтобы разработать полноценную логическую серию из нескольких микросхем.
За это время конкуренты не дремали, и в итоге очередность была такова (в скобках год и тип логики) – Texas Instruments SN51x (1961, RCTL), Signetics SE100 (1962, DTL), Motorola MC300 (1962, ECL), Motorola MC7xx, MC8xx и MC9xx (1963, RTL) Fairchild Series 930 (1963, DTL), Amelco 30xCJ (1963, RTL), Ferranti MicroNOR I (1963, DTL), Sylvania SUHL (1963, TTL), Texas Instruments SN54xx (1964, TTL), Ferranti MicroNOR II (1965, DTL), Texas Instruments SN74xx (1966, TTL), Philips FC ICS (1967, DTL), Fairchild 9300 (1968, TTL MSI), Signetics 8200 (1968), RCA CD4000 (1968, CMOS), Intel 3101 (1968, TTL). Были и другие производители, например, Intellux, Westinghouse, Sprague Electric Company, Raytheon и Hughes, сейчас забытые.
Одним из великих открытий в области стандартизации стали так называемые логические семейства микросхем. В эпоху транзисторов каждый производитель компьютеров – от Philco до General Electric, как правило, сам изготавливал все компоненты своих машин, вплоть до, собственно, транзисторов. Кроме того, различные логические схемы типа 2И-НЕ и т.д. можно реализовать с их помощью минимум десятком разных способов, каждый из которых имеет свои преимущества – дешевизну и простоту, скорость, количество транзисторов и т.д. В результате компании стали придумывать свои реализации, применявшиеся поначалу только в их машинах.
То, чего так и не увидел СССР – огромное количество доступной специализированной литературы по проектированию микросхем, выпущенное американскими корпорациями в 1960-е. Пример заказной TTL-микросхемы, 1964 год (https://www.computerhistory.org/)
Так на свет появилась исторически первая резисторно-транзисторная логика (RTL и ее виды DCTL, DCUTL и RCTL, открыта в 1952 году), мощная и быстрая эмиттерно-связная логика (ECL и ее виды PECL и LVPECL, впервые использована в IBM 7030 Stretch, занимала много места и сильно грелась, но из-за непревзойденных скоростных параметров массово использовалась и воплощенная в микросхемах, была стандартом суперкомпьютеров до начала 1980-х годов от Cray-1 до «Электроника СС БИС»), диодно-транзисторная логика для применения в машинах попроще (DTL и ее разновидности CTDL и HTL появилась в IBM 1401 1959 году).
К моменту появления микросхем стало ясно, что производителям нужно точно так же выбрать – а какой тип логики будет использован внутри их чипов? И главное, какие это будут чипы, какие элементы они будут содержать?
Так и родились логические семейства. Когда Texas Instruments выпустила первое такое семейство в мире – SN51x (1961, RCTL), они определились с типом логики (резисторно-транзисторная) и с тем, какие функции будут доступны в их микросхемах, например, элемент SN514 реализовал NOR/NAND.
Разнообразные американские микросхемы 1960-х, фото из коллекции автора
В результате впервые в мире произошло четкое разделение на компании, выпускающие логические семейства (со своей скоростью, ценой и разнообразными ноу-хау) и компании, которые могли их закупать и собирать на них компьютеры собственной архитектуры.
Естественно, остались единицы вертикально интегрированных компаний, такие как Ferranti, Phillips и IBM, предпочитавшие держаться до конца за идею производства компьютера от и до на собственных мощностях, но к 1970-м они либо вымерли, либо отказались от этой практики. Последней пала IBM, они использовали абсолютно полный цикл разработки – от плавки кремния до выпуска собственных чипов и машин на них вплоть до 1981 года, когда вышел IBM 5150 (больше известный как Personal Computer, родоначальник всех ПК) – первый компьютер, имеющий их торговую марку и внутри – процессор чужой разработки.
Изначально, кстати, упертые «люди в голубых костюмах» попытались создать 100-процентно свой, оригинальный домашний ПК и даже выпустили его на рынок – IBM 5110 и 5120 (на оригинальном PALM processor, по сути, это была микроверсия их мэйнфреймов), но из-за запредельной цены и несовместимости с уже родившимся классом малых машин с процессорами Intel оба раза их ждал эпический провал. Что забавно – их подразделение мэйнфреймов не сдалось до сих пор, и они по сей день разрабатывают процессоры собственной архитектуры. Более того, они еще и выпускали их точно так же абсолютно самостоятельно вплоть до 2014 года, когда, наконец, продали свои полупроводниковые компании Global Foundries. Так исчезла последняя линейка компьютеров, произведенная в стиле 1960-х годов – целиком одной компанией от и до.
Возвращаясь к логическим семействам, отметим последние из них, появившиеся уже в эпоху микросхем специально для них. Это не такая быстрая и не такая горячая транзисторно-транзисторная логика (TTL, изобретенная в 1961 в компании TRW). TTL-логика стала первым стандартом для микросхем и применялась во всех основных чипах 1960-х годов.
Затем возникла интегрально-инжекционная логика (IIL, появилась в конце 1971 года у IBM и Philips, использовалась в микросхемах 1970–1980-х годов) и величайшая из всех – металл-оксид-полупроводниковая логика (MOS, разрабатываемая с 60-х и к 80-м в варианте CMOS полностью захватившая рынок, сейчас 99 % всех современных чипов – это CMOS).
Первым коммерческим компьютером на микросхемах стал RCA Spectra 70 series (1965), малый банковский мэйнфрейм Burroughs B2500/3500, выпущенный в 1966 году и Scientific Data Systems Sigma 7 (1966). RCA по традиции разработала свои микросхемы сама (CML – Current Mode Logic), Burroughs воспользовалась помощью Fairchild в разработке оригинальной линейки микросхем CTL (Complementary Transistor Logic), SDS заказала чипы у Signetics. За этими машинами последовали CDC, General Electric, Honeywell, IBM, NCR, Sperry UNIVAC – эра транзисторных машин ушла.
Патент Фрэнка Уонласа (Frank Wanlass) на изобретенную им вместе с Са Чжитаном (Chih-Tang Sah) КМОП (CMOS) логику – мать всех современных чипов и микропроцессоров, 1963 г. RCA COSMAC 1802 (1975 год) – первый в мире КМОП-микропроцессор, применялся в том числе в миссии Galileo на Юпитере. Фото из коллекции автора.
Отметим, что не только в СССР забывали творцов своей славы. С интегральными схемами случилась аналогичная, довольно неприятная история.
Фактически мир обязан появлению современной ИС слаженной работе профессионалов из Fairchild – прежде всего, команды Эрни и Ласта, а так же идее Даммера и патенту Леговца. Килби выпустил неудачный прототип, который было невозможно доработать, от его производства отказались почти сразу, и его микросхема имеет разве что коллекционную ценность для истории, технике она не дала ничего. Бо Лоек писал об этом так:
Идея Килби была настолько непрактичной, что от неё отказалась даже TI. Его патент имел ценность только как удобный и выгодный предмет торга. Если бы Килби работал не на TI, а на любую другую компанию, то его идеи вообще не были бы запатентованы.
Нойс переоткрыл идею Леговца, но затем самоустранился от работы, и все открытия, включая мокрое окисление, металлизацию и травление, совершили другие люди, они же и выпустили первую настоящую коммерческую монолитную ИС.
В итоге история осталась несправедлива к этим людям до конца – еще в 60-е отцами микросхем называли Килби, Леговца, Нойса, Эрни и Ласта, в 70-е список сократился до Килби, Леговца и Нойса, потом – до Килби и Нойса, а вершиной мифотворчества стало получение одним лишь Килби Нобелевской премии 2000 года за изобретение микросхемы.
Отметим, что 1961–1967 годы были эпохой чудовищных патентных войн. Все бились со всеми, Texas Instruments с Westinghouse, Sprague Electric Company и Fairchild, Fairchild с Raytheon и Hughes. В конце концов, компании поняли, что ни одна из них не соберет все ключевые патенты у себя, а пока длятся суды – они заморожены и не могут служить активами и приносить деньги, так что все кончилось мировой и кросс-лицензированием всех добытых к этому времени технологий.
Переходя к рассмотрению СССР, нельзя не отметить и другие страны, политика которых была иногда в высшей степени странной. Вообще, изучая эту тему, становится ясно, что намного проще описать не почему провалились разработки интегральных схем в СССР, а то, почему они преуспели в США, по одной просто причине – они, кроме США, нигде и не преуспели.
Подчеркнем, что дело было вовсе не в интеллекте разработчиков – толковые инженеры, отличные физики и гениальные визионеры-компьютерщики были везде: от Нидерландов до Японии. Проблема была в одном – менеджменте. Даже в Британии консерваторов (не говоря уже о лейбористах, которые добили там останки промышленности и разработок) корпорации не обладали такой властью и независимостью, как в Америке. Лишь там представители бизнеса разговаривали с властью на равных: могли инвестировать миллиарды куда хотели с минимальным контролем или без оного, сходиться в жестоких патентных битвах, переманивать сотрудников, основывать новые компании буквально по щелчку пальца (к той же «вероломной восьмерке», бросившей Шокли, восходит 3/4 всего нынешнего полупроводникового бизнеса Америки – от Fairchild и Signetics до Intel и AMD).
Все эти компании находились в непрерывном живом движении: искали, открывали, захватывали, разорялись, инвестировали – и выживали, и эволюционировали, подобно живой природе. Нигде в мире больше не было такой свободы риска и предпринимательства. Разница станет особо очевидна, когда мы начнем разговор об отечественной «Кремниевой долине» – Зеленограде, где не менее толковые инженеры, пребывая под гнетом Министерства радиопромышленности, обязаны были тратить 90 % своего таланта на копирование устаревших на несколько лет американских разработок, а те, кто упорно шел вперёд – Юдицкий, Карцев, Осокин – очень быстро укрощались и загонялись обратно на рельсы, проложенные партией.
По поводу этого хорошо высказался сам генералиссимус Сталин в беседе с послом Аргентины Леопольдо Браво 7 февраля 1953 года (из книги Сталин И. В. Cочинения. – Т. 18. – Тверь: Информационно-издательский центр «Союз», 2006):
Сталин говорит, что это лишь выдает бедность ума руководителей США, у которых денег много, а в голове мало. Отмечает при этом, что американские президенты, как правило, не любят думать, а предпочитают пользоваться помощью «мозговых трестов», что такие тресты, в частности, были у Рузвельта и Трумэна, полагавших, видимо, что если у них имеются деньги, то ума не нужно.
В итоге думала у нас партия, а инженеры – выполняли. Отсюда и результат.
Практически аналогичная ситуация случилась в Японии, где традиции государственного контроля были, конечно, в разы мягче советских, но вполне на уровне Британии (а что случилось с британской школой микроэлектроники, мы уже обсуждали).
В Японии к 1960 году существовали четыре основных игрока в компьютерном бизнесе, причем три были 100-процентно государственными. Самое могущественное – Министерство торговли и промышленности (MITI) и его техническое подразделение, Электротехническая лаборатория (ETL); Nippon Telephone & Telegraph (NTT) и его лаборатории микросхем; и наименее значимый участник, с чисто финансовой точки зрения, Министерство образования, которое контролировало все разработки внутри престижных национальных университетов (в особенности в Токийском, аналоге МГУ и MIT по престижу в те годы). Наконец, последним игроком были вместе взятые корпоративные лаборатории крупнейших промышленных фирм.
Япония была еще и тем похожа на СССР и Британию, что все эти три страны значительно пострадали в ходе Второй мировой войны, и их технический потенциал был уменьшен. А Япония вдобавок находилась в оккупации до 1952 года и под тесным финансовым контролем США до 1973 года, курс иены до этого момента был жестко привязан к доллару межправительственными соглашениями, а международным японский рынок стал вообще с 1975 года (и да, речь не идет о том, что они сами это заслужили, мы всего лишь описываем обстановку).
В результате японцы смогли создать несколько первоклассных машин для внутреннего рынка, но точно так же зевнули производство микросхем, а когда после 1975 года начался их золотой век, настоящий технический ренессанс (эпоха примерно по 1990, когда японская техника и компьютеры считались лучшими в мире и предметом зависти и мечтаний), производство этих самых чудес свелось к такому же копированию американских разработок. Хотя, надо отдать им должное, они не просто копировали, а разбирали, изучали и подетально улучшали любое изделие до последнего винтика, в итоге их компьютеры были меньше, быстрее и технологичнее, чем американские прототипы. Например, первый компьютер на ИС собственного изготовления Hitachi HITAC 8210 вышел у них в 1965, одновременно с RCA. К сожалению для японцев, они были частью мировой экономики, где такие фортели не проходят безнаказанно, и в результате патентных и торговых войн с США в 80-е их экономика рухнула в стагнацию, где и пребывает практически по сей день (а уж если вспомнить их эпический провал с так называемыми «машинами 5-го поколения»…).
При этом и Fairchild, и TI пытались основать производства в Японии ещё в начале 60-х, но наткнулись на жёсткое сопротивление MITI. В 1962 году MITI запретило Fairchild инвестировать в уже купленную в Японии фабрику, и неопытный Нойс попытался выйти на японский рынок через корпорацию NEC. В 1963 году руководство NEC, якобы действуя под давлением правительства Японии, добилось от Fairchild исключительно выгодных условий лицензирования, впоследствии закрывших Fairchild возможность самостоятельно торговать на японском рынке. Только после заключения сделки Нойс узнал, что президент NEC по совместительству председательствовал в комитете MITI, который блокировал сделки Fairchild. TI попыталась основать производство в Японии в 1963 году, уже имея отрицательный опыт переговоров с NEC и Sony. MITI в течение двух лет отказывалось дать определённый ответ на заявку TI (при этом вовсю воруя их микросхемы и выпуская у себя без лицензии), и в 1965 году США нанесли ответный удар, угрожая японцам эмбарго на ввоз электронной техники, нарушавшей патенты TI, и для начала забанив Sony и Sharp.
MITI осознала угрозу и начала думать, как бы им провести белых варваров. В итоге они соорудили многоходовочку, настояли на разрыве уже намечавшейся сделки между TI и Mitsubishi (владельца Sharp) и убедили Акио Морита (Akio Morita, основатель Sony) заключить сделку с TI «в интересах будущего японской промышленности». Поначалу соглашение было крайне невыгодно для TI, и в течение почти двадцати лет японские компании выпускали клонированные микросхемы, не платя лицензионных отчислений. Японцы уже думали, как чудесно они обманули гайдзинов своим жестким протекционизмом, и тут американцы нажали на них второй раз уже в 1989. В результате японцы были вынуждены признать, что 20 лет нарушали патенты, и выплатить США чудовищные роялти по полмиллиарда долларов в год, что окончательно похоронило японскую микроэлектронику.
В итоге грязная игра Министерства торговли и их тотальный контроль над крупными компаниями с указами, чего и как выпускать, вышли японцам боком, да таким, что их буквально вышибли из мировой плеяды производителей компьютеров (собственно, к 80-м только они и составляли конкуренцию американцам).
Перейдем, наконец, к самому интересному – Советскому Союзу.
Сразу скажем, что творилось там много чего интересного и до 1962 года, но сейчас мы рассмотрим только один аспект – настоящие монолитные (и притом оригинальные!) интегральные схемы.
Юрий Валентинович Осокин родился в 1937 году (для разнообразия врагами народа его родители не были) и в 1955 году поступил в МЭИ на электромеханический факультет, на недавно открытую специальность «диэлектрики и полупроводники», который окончил в 1961 году. Диплом он делал по транзисторам в нашем главном полупроводниковом центре у Красилова в НИИ-35, откуда отправился на Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП) производить транзисторы, причем сам завод был такой же юный, как выпускник Осокин – создан только в 1960 году.
Назначение туда Осокина было нормальной практикой для нового завода – практиканты РЗПП часто учились в НИИ-35 и стажировались на «Светлане». Отметим, что завод не только обладал квалифицированными прибалтийскими кадрами, но и находился на периферии, вдали от Шокина, Зеленограда и всех разборок, с ними связанных (об этом мы еще поговорим). К 1961 РЗПП уже освоил в производстве большую часть транзисторов НИИ-35.
В том же году завод по собственному почину начал копать в области планарных технологий и фотолитографии. В этом ему помогали НИИРЭ и КБ-1 (позже «Алмаз»). РЗПП разработал первую в СССР автоматическую линию изготовления планарных транзисторов «Аусма», и ее генерального конструктора А. С. Готмана осенила светлая мысль – раз уж мы все равно штампуем транзисторы на кристалле, так почему бы не сделать сразу же сборку из оных транзисторов?
Кроме этого, Готман предложил революционную, по меркам 1961 года, технологию – разводить выводы транзистора не к стандартным ножкам, а распаивать к контактной площадке с шариками припоя на ней, для упрощения дальнейшего автоматического монтажа. По сути, он открыл настоящий BGA-корпус, который сейчас используется в 90 % электроники – от ноутбуков до смартфонов. К сожалению, в серию эта идея не пошла, так как с технологической реализацией возникли проблемы. Весной 1962 главный инженер НИИРЭ В. И. Смирнов попросил директора РЗПП С. А. Бергмана найти другой путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ-ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.
Директор РЗПП поручил эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину. Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой, как тогда говорили, твёрдой схемы Р12-2.
Перед Осокиным стояла принципиально новая задача: реализовать на одном кристалле два транзистора и два резистора, в СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Килби и Нойса никакой информации в РЗПП не было. Но группа Осокина блестяще решила проблему, причём совершенно не так, как это сделали американцы, работая не с кремнием, а с германиевыми мезатранзисторами! В отличие от Texas Instruments, рижане создали сразу и настоящую микросхему, и удачный техпроцесс под нее из трех последовательных экспонирований, фактически они сделали это одновременно с группой Нойса, абсолютно оригинальным путем и получили не менее ценный, с коммерческой точки зрения, продукт.
Осокинская микросхема. Сверху и справа – первая Р12-2, снизу – блок из четырех микросхем в одном корпусе (фото https://www.computer-museum.ru)
Насколько значителен был вклад самого Осокина, был ли он аналогом Нойса (всю техничеcкую работу за которого выполнила группа Ласта и Эрни) или полностью оригинальным изобретателем?
Это тайна, покрытая мраком, как и все, связанное с советской электроникой. Например, В. М. Ляхович, работавший в том самом НИИ-131, вспоминает (здесь и далее цитаты из уникальной книги Е. М. Ляховича «Я из времени первых»):
В мае 1960 года инженер моей лаборатории – физик по образованию, Лев Иосифович Реймеров, предложил в качестве универсального элемента 2НЕ-ИЛИ использовать двойной транзистор в одном корпусе с внешним резистором, заверив нас, что практически это предложение уже обеспечивается в существующем технологическом процессе изготовления транзисторов П401 – П403, который ему хорошо известен по практике на заводе «Светлана»… Это уже было почти все, что надо! Ключевые режимы работы транзисторов и высочайший уровень унификации… А через неделю Лев принес эскиз структуры кристалла, на котором к двум транзисторам на их общем коллекторе добавлялся pn-переход, образующий слоистый резистор... В 1960 году Лев оформил на свое предложение авторское свидетельство и получил положительное решение на устройство № 24864 от восьмого марта 1962 года.
Идея была воплощена в железе с помощью работавшего в то время на «Светлане» О. В. Веденеева:
Летом меня вызвал в проходную Реймеров. У него возникла идея сделать технически и технологически схему «НЕ-ИЛИ». На такой прибор: на металлической основе (дюраль) крепится германиевый кристалл, на котором создаются четыре слоя с npnp-проводимостью... Работу по вплавлению золотых выводов хорошо освоила молодая монтажница Люда Турнас, и я привлек ее к работе. Полученное изделие помещалось на керамическую галету... Таких галет до 10 штук можно было легко вынести через проходную завода, просто зажав в кулак. Мы сделали Леве таких галет несколько сотен штук.
Вынос через проходную здесь упомянут не случайно. Все работы по «твёрдым схемам» на начальном этапе были чистой авантюрой и их легко могли закрыть, разработчикам приходилось использовать не только технические, но и организационные навыки, типичные для СССР.
Первые несколько сот штук были изготовлены втихую в течение нескольких дней! …После отбраковки приемлемых по параметрам приборов собрали несколько простейших схем триггеров и счетчик. Все работает! Вот она – первая интегральная микросхема!
Июнь 1960 года.
...В лаборатории мы изготовили демонстрационные сборки типовых узлов на этих твердых схемах, размещенных на панелях из оргстекла.
...На демонстрацию первых твердых схем пригласили главного инженера НИИ-131 Вениамина Ивановича Смирнова и рассказали ему, что этот элемент является универсальным... Демонстрация твердых схем произвела впечатление. Наша работа была одобрена.
...В октябре 1960 года с этими поделками главный инженер НИИ-131, изобретатель твердой схемы инженер Л. И. Реймеров и я, начальник лаборатории, выехали в Москву и показали наши изделия председателю ГКРЭ В. Д. Калмыкову и его заместителю А. И. Шокину.
...В. Д. Калмыков и А. И. Шокин положительно оценили проделанную нами работу. Они отметили важность этого направления работ и предложили обращаться при необходимости к ним за помощью.
...Сразу после доклада министру и поддержки министром выполняемых нами работ по созданию и отработке германиевой твердой схемы, В. И. Смирнов распорядился создать лабораторию физики твердых схем с экспериментальным производственным участком... Все основные работы по созданию участка твердых схем были выполнены в течение 1960 года. В первом квартале 1961 года на участке были изготовлены первые наши твердые схемы, правда, пока с помощью друзей на заводе «Светлана» (припайка золотых выводов, многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера).
На первом этапе работ многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера доставали на заводе «Светлана», золотые выводы припаивать также возили на «Светлану», так как своей монтажницы и золотой 50 мкм проволоки в НИИ не было. Под вопросом оказалось комплектование микросхемами даже экспериментальных образцов БЦВМ, разрабатываемых в НИИ, а про массовый выпуск не могло быть и речи. Нужно было искать серийный завод.
Мы (В. И. Смирнов, Л. И. Реймеров и я) с изготовленными в НИИ-131 образцами ТС весной 1961 года выехали в Ригу на Рижский приборостроительный завод (РПЗ), директором которого был С. А. Бергман, чтобы определить возможность использования этого завода в будущем для серийного производства наших твердых схем. Мы знали, что в советское время директора заводов неохотно брали дополнительный выпуск любой продукции. Поэтому мы обратились на РПЗ, чтобы нам для начала изготовили в порядке оказания технической помощи экспериментальную партию (500 штук) нашего «универсального элемента», технология изготовления которого и материалы полностью совпадали с используемыми на технологической линии РПЗ при изготовлении транзисторов П401 – П403.
...С этого момента началось наше вторжение» на серийный завод с передачей «документации», нарисованной мелом на доске и изложенной устно технологией. Электрические параметры и методики измерений были изложены на одной странице формата А4, но задача разбраковки и контроля параметров была за нами.
...У наших предприятий оказались совпадающие номера почтовых ящиков п/я-233 (РПЗ) и а/я-233 (НИИ-131). Отсюда и родилось название нашего «элемента Реймерова» – ТС-233.
Поразительны подробности изготовления:
В то время на заводе (как и на других заводах) использовалась ручная технология переноса материала эмиттера и базы на германиевую пластину деревянными шипами от цветочного дерева акации и ручная припайка выводов. Все эти работы выполнялись под микроскопом молодыми девушками.
В общем, по технологичности эта схема по описанию недалеко ушла от Килби…
Где же здесь место Осокина?
Изучаем мемуары дальше.
С появлением фотолитографии оказалось возможным создать объемный резистор вместо слоистого при существующих размерах кристалла и путем травления коллекторной пластины через фотомаску сформировать объемный резистор. Л. И. Реймеров попросил Ю. Осокина попробовать подобрать разные фотомаски и попытаться на пластинке германия p-типа получить объемный резистор порядка 300 Ом.
...Такой объемный резистор в ТС Р12-2 Юра изготовил и считал, что работа закончена, так как температурная проблема решена. Вскоре Юрий Валентинович принес мне около 100 твердых схем в виде «гитарки» с объемным резистором в коллекторе, которое получено специальным травлением коллекторного слоя германия p-типа.
...Показал, что эти ТС работают до +70 градусов, какой получился процент выхода годных и какой разброс параметров. В институте (Ленинград) мы собрали на этих твердых схемах модули «Квант». Все проверки в диапазоне рабочих температур прошли успешно.
Но запустить второй, казалось бы, более перспективный, вариант в производство так просто не получилось.
Образцы схем и описание технологического процесса были переданы на РЗПП, но там к этому моменту уже было начато серийное изготовление Р12-2 с объёмным резистором. Появление улучшенных схем означало бы остановку производства старых, что могло сорвать план. К тому же, по всей вероятности, у Ю. В. Осокина были и личные причины сохранить выпуск Р12-2 старого варианта. На ситуацию наложились и проблемы межведомственного согласования, ибо НИИРЭ относился к ГКРЭ, а РЗПП к ГКЭТ. Нормативные требования к изделиям у комитетов были разные, да и рычагов влияния у предприятия одного комитета на завод из другого практически не было. В финале стороны пришли к компромиссу – выпуск Р12-2 сохранялся, а новые быстродействующие схемы получили индекс Р12-5.
В итоге мы видим, что Лев Реймеров был для советских микросхем аналогом Килби, а Юрий Осокин – аналогом Джея Ласта (хотя его обычно причисляют к полноценным от и до отцам советских интегральных схем).
В результате разобраться в хитросплетениях конструкторских, заводских и министерских интриг Союза еще тяжелее, чем в корпоративных войнах Америки, однако, вывод довольно простой и оптимистичный. Идея интеграции пришла в голову Реймеру практически одновременно с Килби, и только советская бюрократия и особенности работы наших НИИ и КБ с кучей министерских согласований и дрязг задержали отечественные микросхемы на пару лет. При этом первые схемы были практически такими же, как «волосяные» Type 502, а усовершенствовал их специалист по литографии Осокин, сыгравший роль отечественного Джея Ласта, тоже совершенно независимо от разработок Fairchild и примерно в то же самое время, подготовив выпуск вполне современных и конкурентоспособных на тот период настоящих ИС.
Если бы Нобелевские премии выдавали чуть более справедливо, то честь создания микросхемы должны были бы разделить Жан Эрни, Курт Леговец, Джей Ласт, Лев Реймеров и Юрий Осокин. Увы, на Западе о советских изобретателях никто даже не слышал до краха Союза.
Вообще, американское мифотворчество, как уже говорилось, в некоторых аспектах было похоже на советское (как и тяга к назначению официальных героев и упрощение сложной истории). После выхода знаменитой книги Томаса Рида (T. R. Reid) «The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution» в 1984 году каноничной стала версия «двух американских изобретателей», забыли даже о своих же коллегах, не говоря уже о том, чтобы предположить, что кто-то, кроме американцев, мог где-то что-то внезапно изобрести!
Впрочем, в России тоже отличаются короткой памятью, например, в огромной и подробной статье русской Википедии об изобретении микросхем – нет ни слова об Осокине и его разработках (что, кстати, неудивительно, статья представляет собой простой перевод аналогичной англоязычной, в которой этой информации и в помине не было).
При этом, что еще более печально, отец самой идеи – Лев Реймеров, забыт еще крепче, и даже в тех источниках, где упоминается создание первых настоящих советских ИС, в качестве единственного их творца отмечается лишь Осокин, что, безусловно, печально.
Удивительно, что в этой истории мы с американцами показали себя совершенно одинаково – ни одна сторона практически не запомнила своих настоящих героев, создав вместо этого серию устойчивых мифов. Очень печалит тот факт, что создание «Кванта», вообще, стало возможным восстановить лишь по единственному источнику – той самой книге «Я из времени первых», выпущенной издательством «Скифия-принт» в Санкт-Петербурге в 2019 году тиражом в 80 (!) экземпляров. Естественно, что для широкого круга читателей она долгое время была абсолютно недоступна (не зная хоть что-то о Реймерове и этой истории изначально – даже сложно было догадаться, что именно нужно искать в сети, но сейчас она доступна в электронном виде вот здесь).
Тем более хотелось бы, чтобы эти замечательные люди не были бесславно забыты, и надеемся, что данная статья послужит еще одним источником в деле восстановления приоритетов и исторической справедливости в непростом вопросе создания первых в мире интегральных схем.
Конструктивно Р12-2 (и последующая Р12-5) были выполнены в виде классической таблетки из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм – до такой корпусировки Fairchild додумались только через год. К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тысяч Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч (к сожалению, к этому времени американцы уже осознали, в чем их сила, и выпустили их более полумиллиона).
Что забавно – в СССР потребители не умели работать с такой корпусировкой и специально для облегчения их жизни в 1963 году в НИИРЭ в рамках ОКР «Квант» (А. Н. Пелипенко, Е. М. Ляхович) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 – так родилась, возможно, первая в мире ГИС двухуровневой интеграции (TI использовала свои первые серийные микросхемы в 1962 году в похожей конструкции под названием Litton AN/ASA27 logic module – на них собирались компьютеры бортовых радаров).
Поразительно, не то что Нобелевку – а даже особых почестей от своего правительства Осокин не дождался (а Реймер не удостоился даже этого – о нем вообще насмерть забыли!), за микросхемы он не получил вообще ничего, лишь позже в 1966 году был награжден медалью «За трудовое отличие», так сказать, «на общих основаниях», просто за успехи в работе. Далее – он дорос до главного инженера и автоматически стал получать статусные награды, которые вешали практически всем, занимающим хоть какие-то ответственные посты, классический пример такой – «Знак Почёта», который ему дали в 1970-м, а в честь преобразования завода в 1975 году в Рижский НИИ Микроприборов (РНИИМП головное предприятие вновь созданного ПО «Альфа») он получил орден Трудового Красного Знамени.
Отделу Осокина дали Государственную премию (всего лишь Латвийской ССР, не Ленинскую, которые щедро раздавали москвичам) и то не за микросхемы, а за усовершенствование СВЧ-транзисторов. В СССР патентование изобретений авторам ничего, кроме хлопот, ничтожной разовой выплаты и морального удовлетворения не давало, поэтому многие изобретения вообще не оформлялись. Осокин тоже не спешил, но для предприятий количество изобретений было одним из показателей, так что их всё же приходилось оформлять. Поэтому АС СССР за № 36845 на изобретение ТС Р12-2 Осокин и Михалович получили только в 1966 году.
В 1964 «Квант» был применен в первом в СССР авиационном бортовом компьютере третьего поколения «Гном» (также, возможно, первом в мире серийном компьютере на микросхемах). В 1968 серия первых ИС была переименована в 1ЛБ021 (ГИС получили индексы типа 1ХЛ161 и 1ТР1162), затем в 102ЛБ1В. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка Р12-5 (серия 103) и модулей на ее основе (серия 117). К сожалению, Р12-5 оказалась сложной в производстве, главным образом – из-за трудности цинкового легирования, кристалл оказался трудоемким в изготовлении: процент выхода годных – низкий, стоимость – высокая. По этим причинам ТС Р12-5 выпускалась в небольших объемах, но к этому времени уже широким фронтом велись работы по развитию планарной кремниевой технологии. Объем выпуска германиевых ИС в СССР точно не известен, по словам Осокина, с середины 60-х они производились по нескольку сотен тысяч в год (США, увы, производила уже миллионы).
Далее наступает самая комичная часть истории.
Если попросить угадать дату окончания выпуска микросхемы, изобретенной в 1963 году, то, в случае СССР, сдадутся даже настоящие фанатики старинных технологий. Без значительных изменений ИС и ГИС серий 102-117 выпускались до середины 1990-х годов, более 32 лет! Объем их выпуска, впрочем, был ничтожен – за 1985 год было выпущено около 6 000 000 штук, в США же на три порядка (!) больше.
Осознавая абсурдность ситуации, сам Осокин в 1989 году обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при СМ СССР с просьбой о снятии этих микросхем с производства ввиду их морального старения и высокой трудоемкости, но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В. Л. Коблов сказал ему, что самолеты летают надежно, а значит, нечего заниматься ерундой, замена исключается. ЭВМ «Гном» до сих пор стоят в штурманской кабине Ил-76 (причем сам самолет 1971 года выпуска) и некоторых других отечественных самолетов.
Уникальное видео, доступное по ссылке – тот самый «Гном», учебно-образовательный фильм Рижского завода
Модуль на тех самых Р12-5 (фото http://www.155la3.ru)
Что особенно обидно – хищные акулы капитализма увлеченно подсматривали технологические решения друг у друга.
Советский же Госплан был неумолим – где родилось, там и пригодилось! В итоге осокинские микросхемы заняли узкую нишу БЦВМ нескольких самолетов и в таковом качестве и применялись последующие тридцать лет! Ни серия БЭСМ, ни всевозможные «Мински» и «Наири» – нигде более их не использовали.
Более того, даже в БЦВМ их ставили далеко не везде, МиГ-25, например, летал на аналоговом электромеханическом компьютере, хотя его разработка и закончилась в 1964. Кто мешал туда поставить микросхемы? Разговоры о том, что лампы устойчивее к ядерному взрыву?
Но американцы использовали микросхемы не только в Gemini и Apollo (и их военные спецверсии отлично перенесли прохождение через радиационные пояса Земли и работу на орбите Луны). Они использовали чипы сразу же (!), как только они стали доступны, в полноценной боевой технике. Например, знаменитый Grumman F-14 Tomcat стал первым в мире самолетом, который в 1970 году получил бортовой компьютер на основе БИС (часто его называют первым микропроцессором, но формально это неверно – БЦВМ F-14 состояла из нескольких микросхем средней и большой интеграции, тем не менее – это были настоящие законченные модули, типа АЛУ, а не набор дискретной рассыпухи на всяких 2И-НЕ).
CPK-91/A24G F4 Phantom Flight Computer и его начинка (https://www.youtube.com/user/uniservo/featured)
MOS/LSI MP944 F-14 CADC и набор из 5 чипов, на которых он был создан (доклад Рэя Хольта в 2013 г. на IEEE Foothill Students Fall Forum в Cal Poly Pomona)
Удивительно то, что Шокин, полностью одобрив технологию рижан, не дал ей ни малейшего ускорения (ну, кроме официального одобрения и приказа начать на РЗПП серийное производство), также нигде не рассматривалась популяризация этой темы, привлечение к ней специалистов из других НИИ и, вообще, всяческое развитие с целью как можно скорее получить драгоценный стандарт на собственные микросхемы, которые можно было бы независимо развивать и усовершенствовать.
Отчего так вышло?
Шокину было не до осокинских экспериментов, в это время он решал вопрос с клонированием американских разработок в родном Зеленограде, об этом мы поговрим в следующей статье.
В итоге, кроме Р12-5, РЗПП более микросхемами не занимался, тему эту не развивал, и другие заводы к его опыту не обращались, что было очень прискорбно.
Также проблемой было то, что, как мы уже говорили, на Западе все микросхемы выпускались логическими семействами, способными удовлетворять любые нужды. У нас же ограничились одним-единственным модулем, серию родили только в рамках проекта «Квант» в 1970-м и то ограниченную: 1ХЛ161, 1ХЛ162 и 1ХЛ163 – многофункциональные цифровые схемы; 1ЛЕ161 и 1ЛЕ162 – два и четыре логических элемента 2НЕ-ИЛИ; 1ТР161 и 1ТР1162 – один и два триггера; 1УП161 – усилитель мощности, а также 1ЛП161 – уникальный логический элемент «запрет».
Что же в это время творилось в Москве?
Подобно тому, как Ленинград стал центром полупроводников в 1930–1940-е, Москва стала центром интегральных технологий в 1950–1960-е, ведь там был знаменитый Зеленоград. О том, как его основали и что там творилось, мы поговорим в следующий раз.
Первый патент (1949) принадлежал немецкому инженеру из Siemens AG Вернеру Якоби (Werner Jacobi), он предлагал использовать микросхемы для, опять-таки, слуховых аппаратов, но никто не заинтересовался его идеей. Далее было знаменитое выступление Даммера в мае 1952 года (его многочисленные попытки продавить финансирование на усовершенствование своих опытных образцов у британского правительства продолжились до 1956 и кончились ничем). В октябре того же года выдающийся изобретатель Бернард Оливер (Bernard More Oliver) подал патентную заявку на способ изготовления составного транзистора на общем кристалле полупроводника, а годом позже Харвик Джонсон (Harwick Johnson) после обсуждения этого с Уолмаркорм (John Torkel Wallmark) запатентовал идею интегральной схемы.
Все эти работы, однако, оставались чисто теоретическими, потому что на пути к монолитной схеме вставали три технологических барьера.
Бо Лоек (Bo Lojek. History of Semiconductor Engineering, 2007) описал их так: интеграция (нет технологичного способа сформировать в монолитном кристалле полупроводника электронные компоненты), изоляция (нет эффективного способа электрически изолировать компоненты ИС), соединение (нет простого способа соединить компоненты ИС на кристалле). Только владение секретами интеграции, изоляции и соединения компонентов с помощью фотолитографии позволило создать полноценный прототип полупроводниковой ИС.
США
В итоге вышло так, что в США у каждого из трёх решений оказался свой автор, и патенты на них оказались в руках трёх корпораций.
Курт Леговец (Kurt Lehovec) из Sprague Electric Company посетил семинар в Принстоне зимой 1958 года, на котором Уолмарк изложил своё видение фундаментальных проблем микроэлектроники. По пути домой в Массачусетс, Леговец сходу изобрел изящное решение проблемы изоляции – использование самого pn-перехода! Менеджмент Sprague, занятый корпоративными войнами, не заинтересовался изобретением Леговца (да, в который раз отмечаем, что бестолковые руководители – бич всех стран, не только в СССР, впрочем, в США, благодаря куда большей гибкости общества, это и близко не приводило к таким проблемам, в крайнем случае страдала конкретная фирма, а не все направление науки и техники, как у нас), и он ограничился патентной заявкой за свой счет.
Чуть раньше, в сентябре 1958 года, уже упомянутый Джек Килби из Texas Instruments представил первый прототип ИС – однотранзисторный генератор колебаний, полностью повторявший схему и идею патента Джонсона, а чуть позже – двухтранзисторный триггер.
В патентах Килби не была решена проблема изоляции и соединения. Изолятором был воздушный зазор – разрез на всю глубину кристалла, а для соединения он использовал навесной монтаж (!) золотой проволокой (знаменитая «волосяная» технология, и да, она реально использовалась в первых ИС от TI, что делало их чудовищно нетехнологичными), по сути, схемы Килби были гибридными, а не монолитными.
Зато он полностью решил проблему интеграции и доказал, что в массиве кристалла можно вырастить все необходимые компоненты. В Texas Instruments с руководителями было все прекрасно, они сходу поняли, какое сокровище попало им в руки, так что немедленно, даже не дожидаясь исправления детских болячек, в том же 1958 году начали продвигать сырую технологию военным (заодно обложившись всеми мыслимыми патентами). Как мы помним, военные в это время увлеклись совсем другим – микромодулями: и армия, и флот отвергли предложение.
Слева Texas Instruments Type 502 Solid Circuit, официально – первая «микросхема» в истории, неофициально – полноценной микросхемой она не может считаться ни в каком смысле: ни в производственном, ни в концептуальном. В корпусе отчетливо видны дискретные транзисторы, изолированные разрезом и знаменитые ужасные «волосяные контакты», делавшие конструкцию ненадежной, нетехнологичной и безумно дорогой. Справа – первый предсерийный протип ее же, 1959 год. Фото из музея компьютерной истории в Калифорнии (https://www.computerhistory.org)
Однако неожиданно темой заинтересовались ВВС, отступать было поздно, пришлось как-то налаживать выпуск по неимоверно убогой «волосяной» технологии.
В 1960-м TI официально объявило о том, что коммерчески доступна первая в мире «настоящая» ИС Type 502 Solid Circuit. Это был мультивибратор, и компания уверяла, что он находится в производстве, он даже присутствовал в каталоге по $450 за штуку. Однако реальные продажи начались лишь в 1961, цена была сильно выше, а надежность этой поделки была низка. Сейчас, кстати, эти схемы представляют колоссальную историческую ценность, настолько, что длительные поиски на западных форумах коллекционеров электроники человека, владеющего оригиналом TI Type 502, так и не увенчались успехом. Всего их было изготовлено около 10000, так что их раритет оправдан.
В октябре 1961 TI построила для ВВС первый компьютер на микросхемах (8,5 тысяч деталей из которых 587 были Type 502), но проблема была в почти ручном методе изготовления, низкой надежности и низкой радиационной стойкости. Компьютер был собран на первой в мире линейке микросхем Texas Instruments SN51x. Впрочем, технология Килби вообще не годилась для производства и уже в 1962 году от нее отказались после того, как в дело ворвался третий участник – Роберт Нойс (Robert Norton Noyce) из Fairchild Semiconductor.
Первый в мире компьютер на микросхемах – тот самый прототип от TI (фото из архивов Texas Instruments)
У Fairchild было колоссальное преимущество над радиотехником Килби. Как мы помним, компания была основана настоящей интеллектуальной элитой – восемью лучшими специалистами в области микроэлектроники и квантовой механики, сбежавшими из Bell Labs от диктатуры медленно сходящего с ума Шокли. Неудивительно, что результатом их работы немедленно стало открытие планарного процесса – технологии, которую они применили к 2N1613, первому в мире серийному планарному транзистору, вытеснившему с рынка все прочие сварные и диффузионные варианты.
Роберт Нойс задумался – нельзя ли применить такую же технологию для производства интегральных схем и в 1959 самостоятельно повторил путь Килби и Леговица, объединив их идеи и доведя их до логического финала. Так родился фотолитографический процесс, с помощью которого микросхемы изготавливают и сегодня.
Один из забытых пионеров ИС – Жан Эрни, отец планарного процесса, в своей лаборатории. Fairchild Semiconductor 2N709 – первый кремниевый планарный транзистор, введенный в серию в 1961, практически готовая микросхема – осталось добавить на ту же самую подложку еще парочку. Невероятное творение Сэймура Крэя – величайший суперкомпьютер 60-х CDC 6600, собранный в 1963 году на 600000 планарных транзисторах Эрни, этот контракт принес Fairchild по полмиллиона долларов за машину (https://www.computerhistory.org/)
Группа Нойса под руководством Джея Ласта (Jay T. Last) создала первую настоящую полноценную монолитную ИС в 1960 году. Однако компания Fairchild существовала на деньги венчурных инвесторов, и они не сумели поначалу оценить ценность созданного (опять же, беда с начальством). Вице-президент потребовал от Ласта закрыть проект, результатом стал очередной раскол и уход его команды, так родились еще две компании Amelco и Signetics.
После этого руководство, наконец, прозрело и в 1961 выпустило первую реально коммерчески доступную ИС – Micrologic. Еще год ушел на то, чтобы разработать полноценную логическую серию из нескольких микросхем.
За это время конкуренты не дремали, и в итоге очередность была такова (в скобках год и тип логики) – Texas Instruments SN51x (1961, RCTL), Signetics SE100 (1962, DTL), Motorola MC300 (1962, ECL), Motorola MC7xx, MC8xx и MC9xx (1963, RTL) Fairchild Series 930 (1963, DTL), Amelco 30xCJ (1963, RTL), Ferranti MicroNOR I (1963, DTL), Sylvania SUHL (1963, TTL), Texas Instruments SN54xx (1964, TTL), Ferranti MicroNOR II (1965, DTL), Texas Instruments SN74xx (1966, TTL), Philips FC ICS (1967, DTL), Fairchild 9300 (1968, TTL MSI), Signetics 8200 (1968), RCA CD4000 (1968, CMOS), Intel 3101 (1968, TTL). Были и другие производители, например, Intellux, Westinghouse, Sprague Electric Company, Raytheon и Hughes, сейчас забытые.
Одним из великих открытий в области стандартизации стали так называемые логические семейства микросхем. В эпоху транзисторов каждый производитель компьютеров – от Philco до General Electric, как правило, сам изготавливал все компоненты своих машин, вплоть до, собственно, транзисторов. Кроме того, различные логические схемы типа 2И-НЕ и т.д. можно реализовать с их помощью минимум десятком разных способов, каждый из которых имеет свои преимущества – дешевизну и простоту, скорость, количество транзисторов и т.д. В результате компании стали придумывать свои реализации, применявшиеся поначалу только в их машинах.
То, чего так и не увидел СССР – огромное количество доступной специализированной литературы по проектированию микросхем, выпущенное американскими корпорациями в 1960-е. Пример заказной TTL-микросхемы, 1964 год (https://www.computerhistory.org/)
Так на свет появилась исторически первая резисторно-транзисторная логика (RTL и ее виды DCTL, DCUTL и RCTL, открыта в 1952 году), мощная и быстрая эмиттерно-связная логика (ECL и ее виды PECL и LVPECL, впервые использована в IBM 7030 Stretch, занимала много места и сильно грелась, но из-за непревзойденных скоростных параметров массово использовалась и воплощенная в микросхемах, была стандартом суперкомпьютеров до начала 1980-х годов от Cray-1 до «Электроника СС БИС»), диодно-транзисторная логика для применения в машинах попроще (DTL и ее разновидности CTDL и HTL появилась в IBM 1401 1959 году).
К моменту появления микросхем стало ясно, что производителям нужно точно так же выбрать – а какой тип логики будет использован внутри их чипов? И главное, какие это будут чипы, какие элементы они будут содержать?
Так и родились логические семейства. Когда Texas Instruments выпустила первое такое семейство в мире – SN51x (1961, RCTL), они определились с типом логики (резисторно-транзисторная) и с тем, какие функции будут доступны в их микросхемах, например, элемент SN514 реализовал NOR/NAND.
Разнообразные американские микросхемы 1960-х, фото из коллекции автора
В результате впервые в мире произошло четкое разделение на компании, выпускающие логические семейства (со своей скоростью, ценой и разнообразными ноу-хау) и компании, которые могли их закупать и собирать на них компьютеры собственной архитектуры.
Естественно, остались единицы вертикально интегрированных компаний, такие как Ferranti, Phillips и IBM, предпочитавшие держаться до конца за идею производства компьютера от и до на собственных мощностях, но к 1970-м они либо вымерли, либо отказались от этой практики. Последней пала IBM, они использовали абсолютно полный цикл разработки – от плавки кремния до выпуска собственных чипов и машин на них вплоть до 1981 года, когда вышел IBM 5150 (больше известный как Personal Computer, родоначальник всех ПК) – первый компьютер, имеющий их торговую марку и внутри – процессор чужой разработки.
Изначально, кстати, упертые «люди в голубых костюмах» попытались создать 100-процентно свой, оригинальный домашний ПК и даже выпустили его на рынок – IBM 5110 и 5120 (на оригинальном PALM processor, по сути, это была микроверсия их мэйнфреймов), но из-за запредельной цены и несовместимости с уже родившимся классом малых машин с процессорами Intel оба раза их ждал эпический провал. Что забавно – их подразделение мэйнфреймов не сдалось до сих пор, и они по сей день разрабатывают процессоры собственной архитектуры. Более того, они еще и выпускали их точно так же абсолютно самостоятельно вплоть до 2014 года, когда, наконец, продали свои полупроводниковые компании Global Foundries. Так исчезла последняя линейка компьютеров, произведенная в стиле 1960-х годов – целиком одной компанией от и до.
Возвращаясь к логическим семействам, отметим последние из них, появившиеся уже в эпоху микросхем специально для них. Это не такая быстрая и не такая горячая транзисторно-транзисторная логика (TTL, изобретенная в 1961 в компании TRW). TTL-логика стала первым стандартом для микросхем и применялась во всех основных чипах 1960-х годов.
Затем возникла интегрально-инжекционная логика (IIL, появилась в конце 1971 года у IBM и Philips, использовалась в микросхемах 1970–1980-х годов) и величайшая из всех – металл-оксид-полупроводниковая логика (MOS, разрабатываемая с 60-х и к 80-м в варианте CMOS полностью захватившая рынок, сейчас 99 % всех современных чипов – это CMOS).
Первым коммерческим компьютером на микросхемах стал RCA Spectra 70 series (1965), малый банковский мэйнфрейм Burroughs B2500/3500, выпущенный в 1966 году и Scientific Data Systems Sigma 7 (1966). RCA по традиции разработала свои микросхемы сама (CML – Current Mode Logic), Burroughs воспользовалась помощью Fairchild в разработке оригинальной линейки микросхем CTL (Complementary Transistor Logic), SDS заказала чипы у Signetics. За этими машинами последовали CDC, General Electric, Honeywell, IBM, NCR, Sperry UNIVAC – эра транзисторных машин ушла.
Патент Фрэнка Уонласа (Frank Wanlass) на изобретенную им вместе с Са Чжитаном (Chih-Tang Sah) КМОП (CMOS) логику – мать всех современных чипов и микропроцессоров, 1963 г. RCA COSMAC 1802 (1975 год) – первый в мире КМОП-микропроцессор, применялся в том числе в миссии Galileo на Юпитере. Фото из коллекции автора.
Отметим, что не только в СССР забывали творцов своей славы. С интегральными схемами случилась аналогичная, довольно неприятная история.
Фактически мир обязан появлению современной ИС слаженной работе профессионалов из Fairchild – прежде всего, команды Эрни и Ласта, а так же идее Даммера и патенту Леговца. Килби выпустил неудачный прототип, который было невозможно доработать, от его производства отказались почти сразу, и его микросхема имеет разве что коллекционную ценность для истории, технике она не дала ничего. Бо Лоек писал об этом так:
Идея Килби была настолько непрактичной, что от неё отказалась даже TI. Его патент имел ценность только как удобный и выгодный предмет торга. Если бы Килби работал не на TI, а на любую другую компанию, то его идеи вообще не были бы запатентованы.
Нойс переоткрыл идею Леговца, но затем самоустранился от работы, и все открытия, включая мокрое окисление, металлизацию и травление, совершили другие люди, они же и выпустили первую настоящую коммерческую монолитную ИС.
В итоге история осталась несправедлива к этим людям до конца – еще в 60-е отцами микросхем называли Килби, Леговца, Нойса, Эрни и Ласта, в 70-е список сократился до Килби, Леговца и Нойса, потом – до Килби и Нойса, а вершиной мифотворчества стало получение одним лишь Килби Нобелевской премии 2000 года за изобретение микросхемы.
Отметим, что 1961–1967 годы были эпохой чудовищных патентных войн. Все бились со всеми, Texas Instruments с Westinghouse, Sprague Electric Company и Fairchild, Fairchild с Raytheon и Hughes. В конце концов, компании поняли, что ни одна из них не соберет все ключевые патенты у себя, а пока длятся суды – они заморожены и не могут служить активами и приносить деньги, так что все кончилось мировой и кросс-лицензированием всех добытых к этому времени технологий.
Переходя к рассмотрению СССР, нельзя не отметить и другие страны, политика которых была иногда в высшей степени странной. Вообще, изучая эту тему, становится ясно, что намного проще описать не почему провалились разработки интегральных схем в СССР, а то, почему они преуспели в США, по одной просто причине – они, кроме США, нигде и не преуспели.
Подчеркнем, что дело было вовсе не в интеллекте разработчиков – толковые инженеры, отличные физики и гениальные визионеры-компьютерщики были везде: от Нидерландов до Японии. Проблема была в одном – менеджменте. Даже в Британии консерваторов (не говоря уже о лейбористах, которые добили там останки промышленности и разработок) корпорации не обладали такой властью и независимостью, как в Америке. Лишь там представители бизнеса разговаривали с властью на равных: могли инвестировать миллиарды куда хотели с минимальным контролем или без оного, сходиться в жестоких патентных битвах, переманивать сотрудников, основывать новые компании буквально по щелчку пальца (к той же «вероломной восьмерке», бросившей Шокли, восходит 3/4 всего нынешнего полупроводникового бизнеса Америки – от Fairchild и Signetics до Intel и AMD).
Все эти компании находились в непрерывном живом движении: искали, открывали, захватывали, разорялись, инвестировали – и выживали, и эволюционировали, подобно живой природе. Нигде в мире больше не было такой свободы риска и предпринимательства. Разница станет особо очевидна, когда мы начнем разговор об отечественной «Кремниевой долине» – Зеленограде, где не менее толковые инженеры, пребывая под гнетом Министерства радиопромышленности, обязаны были тратить 90 % своего таланта на копирование устаревших на несколько лет американских разработок, а те, кто упорно шел вперёд – Юдицкий, Карцев, Осокин – очень быстро укрощались и загонялись обратно на рельсы, проложенные партией.
По поводу этого хорошо высказался сам генералиссимус Сталин в беседе с послом Аргентины Леопольдо Браво 7 февраля 1953 года (из книги Сталин И. В. Cочинения. – Т. 18. – Тверь: Информационно-издательский центр «Союз», 2006):
Сталин говорит, что это лишь выдает бедность ума руководителей США, у которых денег много, а в голове мало. Отмечает при этом, что американские президенты, как правило, не любят думать, а предпочитают пользоваться помощью «мозговых трестов», что такие тресты, в частности, были у Рузвельта и Трумэна, полагавших, видимо, что если у них имеются деньги, то ума не нужно.
В итоге думала у нас партия, а инженеры – выполняли. Отсюда и результат.
Япония
Практически аналогичная ситуация случилась в Японии, где традиции государственного контроля были, конечно, в разы мягче советских, но вполне на уровне Британии (а что случилось с британской школой микроэлектроники, мы уже обсуждали).
В Японии к 1960 году существовали четыре основных игрока в компьютерном бизнесе, причем три были 100-процентно государственными. Самое могущественное – Министерство торговли и промышленности (MITI) и его техническое подразделение, Электротехническая лаборатория (ETL); Nippon Telephone & Telegraph (NTT) и его лаборатории микросхем; и наименее значимый участник, с чисто финансовой точки зрения, Министерство образования, которое контролировало все разработки внутри престижных национальных университетов (в особенности в Токийском, аналоге МГУ и MIT по престижу в те годы). Наконец, последним игроком были вместе взятые корпоративные лаборатории крупнейших промышленных фирм.
Япония была еще и тем похожа на СССР и Британию, что все эти три страны значительно пострадали в ходе Второй мировой войны, и их технический потенциал был уменьшен. А Япония вдобавок находилась в оккупации до 1952 года и под тесным финансовым контролем США до 1973 года, курс иены до этого момента был жестко привязан к доллару межправительственными соглашениями, а международным японский рынок стал вообще с 1975 года (и да, речь не идет о том, что они сами это заслужили, мы всего лишь описываем обстановку).
В результате японцы смогли создать несколько первоклассных машин для внутреннего рынка, но точно так же зевнули производство микросхем, а когда после 1975 года начался их золотой век, настоящий технический ренессанс (эпоха примерно по 1990, когда японская техника и компьютеры считались лучшими в мире и предметом зависти и мечтаний), производство этих самых чудес свелось к такому же копированию американских разработок. Хотя, надо отдать им должное, они не просто копировали, а разбирали, изучали и подетально улучшали любое изделие до последнего винтика, в итоге их компьютеры были меньше, быстрее и технологичнее, чем американские прототипы. Например, первый компьютер на ИС собственного изготовления Hitachi HITAC 8210 вышел у них в 1965, одновременно с RCA. К сожалению для японцев, они были частью мировой экономики, где такие фортели не проходят безнаказанно, и в результате патентных и торговых войн с США в 80-е их экономика рухнула в стагнацию, где и пребывает практически по сей день (а уж если вспомнить их эпический провал с так называемыми «машинами 5-го поколения»…).
При этом и Fairchild, и TI пытались основать производства в Японии ещё в начале 60-х, но наткнулись на жёсткое сопротивление MITI. В 1962 году MITI запретило Fairchild инвестировать в уже купленную в Японии фабрику, и неопытный Нойс попытался выйти на японский рынок через корпорацию NEC. В 1963 году руководство NEC, якобы действуя под давлением правительства Японии, добилось от Fairchild исключительно выгодных условий лицензирования, впоследствии закрывших Fairchild возможность самостоятельно торговать на японском рынке. Только после заключения сделки Нойс узнал, что президент NEC по совместительству председательствовал в комитете MITI, который блокировал сделки Fairchild. TI попыталась основать производство в Японии в 1963 году, уже имея отрицательный опыт переговоров с NEC и Sony. MITI в течение двух лет отказывалось дать определённый ответ на заявку TI (при этом вовсю воруя их микросхемы и выпуская у себя без лицензии), и в 1965 году США нанесли ответный удар, угрожая японцам эмбарго на ввоз электронной техники, нарушавшей патенты TI, и для начала забанив Sony и Sharp.
MITI осознала угрозу и начала думать, как бы им провести белых варваров. В итоге они соорудили многоходовочку, настояли на разрыве уже намечавшейся сделки между TI и Mitsubishi (владельца Sharp) и убедили Акио Морита (Akio Morita, основатель Sony) заключить сделку с TI «в интересах будущего японской промышленности». Поначалу соглашение было крайне невыгодно для TI, и в течение почти двадцати лет японские компании выпускали клонированные микросхемы, не платя лицензионных отчислений. Японцы уже думали, как чудесно они обманули гайдзинов своим жестким протекционизмом, и тут американцы нажали на них второй раз уже в 1989. В результате японцы были вынуждены признать, что 20 лет нарушали патенты, и выплатить США чудовищные роялти по полмиллиарда долларов в год, что окончательно похоронило японскую микроэлектронику.
В итоге грязная игра Министерства торговли и их тотальный контроль над крупными компаниями с указами, чего и как выпускать, вышли японцам боком, да таким, что их буквально вышибли из мировой плеяды производителей компьютеров (собственно, к 80-м только они и составляли конкуренцию американцам).
СССР
Перейдем, наконец, к самому интересному – Советскому Союзу.
Сразу скажем, что творилось там много чего интересного и до 1962 года, но сейчас мы рассмотрим только один аспект – настоящие монолитные (и притом оригинальные!) интегральные схемы.
Юрий Валентинович Осокин родился в 1937 году (для разнообразия врагами народа его родители не были) и в 1955 году поступил в МЭИ на электромеханический факультет, на недавно открытую специальность «диэлектрики и полупроводники», который окончил в 1961 году. Диплом он делал по транзисторам в нашем главном полупроводниковом центре у Красилова в НИИ-35, откуда отправился на Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП) производить транзисторы, причем сам завод был такой же юный, как выпускник Осокин – создан только в 1960 году.
Назначение туда Осокина было нормальной практикой для нового завода – практиканты РЗПП часто учились в НИИ-35 и стажировались на «Светлане». Отметим, что завод не только обладал квалифицированными прибалтийскими кадрами, но и находился на периферии, вдали от Шокина, Зеленограда и всех разборок, с ними связанных (об этом мы еще поговорим). К 1961 РЗПП уже освоил в производстве большую часть транзисторов НИИ-35.
В том же году завод по собственному почину начал копать в области планарных технологий и фотолитографии. В этом ему помогали НИИРЭ и КБ-1 (позже «Алмаз»). РЗПП разработал первую в СССР автоматическую линию изготовления планарных транзисторов «Аусма», и ее генерального конструктора А. С. Готмана осенила светлая мысль – раз уж мы все равно штампуем транзисторы на кристалле, так почему бы не сделать сразу же сборку из оных транзисторов?
Кроме этого, Готман предложил революционную, по меркам 1961 года, технологию – разводить выводы транзистора не к стандартным ножкам, а распаивать к контактной площадке с шариками припоя на ней, для упрощения дальнейшего автоматического монтажа. По сути, он открыл настоящий BGA-корпус, который сейчас используется в 90 % электроники – от ноутбуков до смартфонов. К сожалению, в серию эта идея не пошла, так как с технологической реализацией возникли проблемы. Весной 1962 главный инженер НИИРЭ В. И. Смирнов попросил директора РЗПП С. А. Бергмана найти другой путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ-ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.
Директор РЗПП поручил эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину. Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой, как тогда говорили, твёрдой схемы Р12-2.
Перед Осокиным стояла принципиально новая задача: реализовать на одном кристалле два транзистора и два резистора, в СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Килби и Нойса никакой информации в РЗПП не было. Но группа Осокина блестяще решила проблему, причём совершенно не так, как это сделали американцы, работая не с кремнием, а с германиевыми мезатранзисторами! В отличие от Texas Instruments, рижане создали сразу и настоящую микросхему, и удачный техпроцесс под нее из трех последовательных экспонирований, фактически они сделали это одновременно с группой Нойса, абсолютно оригинальным путем и получили не менее ценный, с коммерческой точки зрения, продукт.
Осокинская микросхема. Сверху и справа – первая Р12-2, снизу – блок из четырех микросхем в одном корпусе (фото https://www.computer-museum.ru)
Насколько значителен был вклад самого Осокина, был ли он аналогом Нойса (всю техничеcкую работу за которого выполнила группа Ласта и Эрни) или полностью оригинальным изобретателем?
Это тайна, покрытая мраком, как и все, связанное с советской электроникой. Например, В. М. Ляхович, работавший в том самом НИИ-131, вспоминает (здесь и далее цитаты из уникальной книги Е. М. Ляховича «Я из времени первых»):
В мае 1960 года инженер моей лаборатории – физик по образованию, Лев Иосифович Реймеров, предложил в качестве универсального элемента 2НЕ-ИЛИ использовать двойной транзистор в одном корпусе с внешним резистором, заверив нас, что практически это предложение уже обеспечивается в существующем технологическом процессе изготовления транзисторов П401 – П403, который ему хорошо известен по практике на заводе «Светлана»… Это уже было почти все, что надо! Ключевые режимы работы транзисторов и высочайший уровень унификации… А через неделю Лев принес эскиз структуры кристалла, на котором к двум транзисторам на их общем коллекторе добавлялся pn-переход, образующий слоистый резистор... В 1960 году Лев оформил на свое предложение авторское свидетельство и получил положительное решение на устройство № 24864 от восьмого марта 1962 года.
Идея была воплощена в железе с помощью работавшего в то время на «Светлане» О. В. Веденеева:
Летом меня вызвал в проходную Реймеров. У него возникла идея сделать технически и технологически схему «НЕ-ИЛИ». На такой прибор: на металлической основе (дюраль) крепится германиевый кристалл, на котором создаются четыре слоя с npnp-проводимостью... Работу по вплавлению золотых выводов хорошо освоила молодая монтажница Люда Турнас, и я привлек ее к работе. Полученное изделие помещалось на керамическую галету... Таких галет до 10 штук можно было легко вынести через проходную завода, просто зажав в кулак. Мы сделали Леве таких галет несколько сотен штук.
Вынос через проходную здесь упомянут не случайно. Все работы по «твёрдым схемам» на начальном этапе были чистой авантюрой и их легко могли закрыть, разработчикам приходилось использовать не только технические, но и организационные навыки, типичные для СССР.
Первые несколько сот штук были изготовлены втихую в течение нескольких дней! …После отбраковки приемлемых по параметрам приборов собрали несколько простейших схем триггеров и счетчик. Все работает! Вот она – первая интегральная микросхема!
Июнь 1960 года.
...В лаборатории мы изготовили демонстрационные сборки типовых узлов на этих твердых схемах, размещенных на панелях из оргстекла.
...На демонстрацию первых твердых схем пригласили главного инженера НИИ-131 Вениамина Ивановича Смирнова и рассказали ему, что этот элемент является универсальным... Демонстрация твердых схем произвела впечатление. Наша работа была одобрена.
...В октябре 1960 года с этими поделками главный инженер НИИ-131, изобретатель твердой схемы инженер Л. И. Реймеров и я, начальник лаборатории, выехали в Москву и показали наши изделия председателю ГКРЭ В. Д. Калмыкову и его заместителю А. И. Шокину.
...В. Д. Калмыков и А. И. Шокин положительно оценили проделанную нами работу. Они отметили важность этого направления работ и предложили обращаться при необходимости к ним за помощью.
...Сразу после доклада министру и поддержки министром выполняемых нами работ по созданию и отработке германиевой твердой схемы, В. И. Смирнов распорядился создать лабораторию физики твердых схем с экспериментальным производственным участком... Все основные работы по созданию участка твердых схем были выполнены в течение 1960 года. В первом квартале 1961 года на участке были изготовлены первые наши твердые схемы, правда, пока с помощью друзей на заводе «Светлана» (припайка золотых выводов, многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера).
На первом этапе работ многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера доставали на заводе «Светлана», золотые выводы припаивать также возили на «Светлану», так как своей монтажницы и золотой 50 мкм проволоки в НИИ не было. Под вопросом оказалось комплектование микросхемами даже экспериментальных образцов БЦВМ, разрабатываемых в НИИ, а про массовый выпуск не могло быть и речи. Нужно было искать серийный завод.
Мы (В. И. Смирнов, Л. И. Реймеров и я) с изготовленными в НИИ-131 образцами ТС весной 1961 года выехали в Ригу на Рижский приборостроительный завод (РПЗ), директором которого был С. А. Бергман, чтобы определить возможность использования этого завода в будущем для серийного производства наших твердых схем. Мы знали, что в советское время директора заводов неохотно брали дополнительный выпуск любой продукции. Поэтому мы обратились на РПЗ, чтобы нам для начала изготовили в порядке оказания технической помощи экспериментальную партию (500 штук) нашего «универсального элемента», технология изготовления которого и материалы полностью совпадали с используемыми на технологической линии РПЗ при изготовлении транзисторов П401 – П403.
...С этого момента началось наше вторжение» на серийный завод с передачей «документации», нарисованной мелом на доске и изложенной устно технологией. Электрические параметры и методики измерений были изложены на одной странице формата А4, но задача разбраковки и контроля параметров была за нами.
...У наших предприятий оказались совпадающие номера почтовых ящиков п/я-233 (РПЗ) и а/я-233 (НИИ-131). Отсюда и родилось название нашего «элемента Реймерова» – ТС-233.
Поразительны подробности изготовления:
В то время на заводе (как и на других заводах) использовалась ручная технология переноса материала эмиттера и базы на германиевую пластину деревянными шипами от цветочного дерева акации и ручная припайка выводов. Все эти работы выполнялись под микроскопом молодыми девушками.
В общем, по технологичности эта схема по описанию недалеко ушла от Килби…
Где же здесь место Осокина?
Изучаем мемуары дальше.
С появлением фотолитографии оказалось возможным создать объемный резистор вместо слоистого при существующих размерах кристалла и путем травления коллекторной пластины через фотомаску сформировать объемный резистор. Л. И. Реймеров попросил Ю. Осокина попробовать подобрать разные фотомаски и попытаться на пластинке германия p-типа получить объемный резистор порядка 300 Ом.
...Такой объемный резистор в ТС Р12-2 Юра изготовил и считал, что работа закончена, так как температурная проблема решена. Вскоре Юрий Валентинович принес мне около 100 твердых схем в виде «гитарки» с объемным резистором в коллекторе, которое получено специальным травлением коллекторного слоя германия p-типа.
...Показал, что эти ТС работают до +70 градусов, какой получился процент выхода годных и какой разброс параметров. В институте (Ленинград) мы собрали на этих твердых схемах модули «Квант». Все проверки в диапазоне рабочих температур прошли успешно.
Но запустить второй, казалось бы, более перспективный, вариант в производство так просто не получилось.
Образцы схем и описание технологического процесса были переданы на РЗПП, но там к этому моменту уже было начато серийное изготовление Р12-2 с объёмным резистором. Появление улучшенных схем означало бы остановку производства старых, что могло сорвать план. К тому же, по всей вероятности, у Ю. В. Осокина были и личные причины сохранить выпуск Р12-2 старого варианта. На ситуацию наложились и проблемы межведомственного согласования, ибо НИИРЭ относился к ГКРЭ, а РЗПП к ГКЭТ. Нормативные требования к изделиям у комитетов были разные, да и рычагов влияния у предприятия одного комитета на завод из другого практически не было. В финале стороны пришли к компромиссу – выпуск Р12-2 сохранялся, а новые быстродействующие схемы получили индекс Р12-5.
В итоге мы видим, что Лев Реймеров был для советских микросхем аналогом Килби, а Юрий Осокин – аналогом Джея Ласта (хотя его обычно причисляют к полноценным от и до отцам советских интегральных схем).
В результате разобраться в хитросплетениях конструкторских, заводских и министерских интриг Союза еще тяжелее, чем в корпоративных войнах Америки, однако, вывод довольно простой и оптимистичный. Идея интеграции пришла в голову Реймеру практически одновременно с Килби, и только советская бюрократия и особенности работы наших НИИ и КБ с кучей министерских согласований и дрязг задержали отечественные микросхемы на пару лет. При этом первые схемы были практически такими же, как «волосяные» Type 502, а усовершенствовал их специалист по литографии Осокин, сыгравший роль отечественного Джея Ласта, тоже совершенно независимо от разработок Fairchild и примерно в то же самое время, подготовив выпуск вполне современных и конкурентоспособных на тот период настоящих ИС.
Если бы Нобелевские премии выдавали чуть более справедливо, то честь создания микросхемы должны были бы разделить Жан Эрни, Курт Леговец, Джей Ласт, Лев Реймеров и Юрий Осокин. Увы, на Западе о советских изобретателях никто даже не слышал до краха Союза.
Вообще, американское мифотворчество, как уже говорилось, в некоторых аспектах было похоже на советское (как и тяга к назначению официальных героев и упрощение сложной истории). После выхода знаменитой книги Томаса Рида (T. R. Reid) «The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution» в 1984 году каноничной стала версия «двух американских изобретателей», забыли даже о своих же коллегах, не говоря уже о том, чтобы предположить, что кто-то, кроме американцев, мог где-то что-то внезапно изобрести!
Впрочем, в России тоже отличаются короткой памятью, например, в огромной и подробной статье русской Википедии об изобретении микросхем – нет ни слова об Осокине и его разработках (что, кстати, неудивительно, статья представляет собой простой перевод аналогичной англоязычной, в которой этой информации и в помине не было).
При этом, что еще более печально, отец самой идеи – Лев Реймеров, забыт еще крепче, и даже в тех источниках, где упоминается создание первых настоящих советских ИС, в качестве единственного их творца отмечается лишь Осокин, что, безусловно, печально.
Удивительно, что в этой истории мы с американцами показали себя совершенно одинаково – ни одна сторона практически не запомнила своих настоящих героев, создав вместо этого серию устойчивых мифов. Очень печалит тот факт, что создание «Кванта», вообще, стало возможным восстановить лишь по единственному источнику – той самой книге «Я из времени первых», выпущенной издательством «Скифия-принт» в Санкт-Петербурге в 2019 году тиражом в 80 (!) экземпляров. Естественно, что для широкого круга читателей она долгое время была абсолютно недоступна (не зная хоть что-то о Реймерове и этой истории изначально – даже сложно было догадаться, что именно нужно искать в сети, но сейчас она доступна в электронном виде вот здесь).
Тем более хотелось бы, чтобы эти замечательные люди не были бесславно забыты, и надеемся, что данная статья послужит еще одним источником в деле восстановления приоритетов и исторической справедливости в непростом вопросе создания первых в мире интегральных схем.
Конструктивно Р12-2 (и последующая Р12-5) были выполнены в виде классической таблетки из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм – до такой корпусировки Fairchild додумались только через год. К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тысяч Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч (к сожалению, к этому времени американцы уже осознали, в чем их сила, и выпустили их более полумиллиона).
Что забавно – в СССР потребители не умели работать с такой корпусировкой и специально для облегчения их жизни в 1963 году в НИИРЭ в рамках ОКР «Квант» (А. Н. Пелипенко, Е. М. Ляхович) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 – так родилась, возможно, первая в мире ГИС двухуровневой интеграции (TI использовала свои первые серийные микросхемы в 1962 году в похожей конструкции под названием Litton AN/ASA27 logic module – на них собирались компьютеры бортовых радаров).
Поразительно, не то что Нобелевку – а даже особых почестей от своего правительства Осокин не дождался (а Реймер не удостоился даже этого – о нем вообще насмерть забыли!), за микросхемы он не получил вообще ничего, лишь позже в 1966 году был награжден медалью «За трудовое отличие», так сказать, «на общих основаниях», просто за успехи в работе. Далее – он дорос до главного инженера и автоматически стал получать статусные награды, которые вешали практически всем, занимающим хоть какие-то ответственные посты, классический пример такой – «Знак Почёта», который ему дали в 1970-м, а в честь преобразования завода в 1975 году в Рижский НИИ Микроприборов (РНИИМП головное предприятие вновь созданного ПО «Альфа») он получил орден Трудового Красного Знамени.
Отделу Осокина дали Государственную премию (всего лишь Латвийской ССР, не Ленинскую, которые щедро раздавали москвичам) и то не за микросхемы, а за усовершенствование СВЧ-транзисторов. В СССР патентование изобретений авторам ничего, кроме хлопот, ничтожной разовой выплаты и морального удовлетворения не давало, поэтому многие изобретения вообще не оформлялись. Осокин тоже не спешил, но для предприятий количество изобретений было одним из показателей, так что их всё же приходилось оформлять. Поэтому АС СССР за № 36845 на изобретение ТС Р12-2 Осокин и Михалович получили только в 1966 году.
В 1964 «Квант» был применен в первом в СССР авиационном бортовом компьютере третьего поколения «Гном» (также, возможно, первом в мире серийном компьютере на микросхемах). В 1968 серия первых ИС была переименована в 1ЛБ021 (ГИС получили индексы типа 1ХЛ161 и 1ТР1162), затем в 102ЛБ1В. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка Р12-5 (серия 103) и модулей на ее основе (серия 117). К сожалению, Р12-5 оказалась сложной в производстве, главным образом – из-за трудности цинкового легирования, кристалл оказался трудоемким в изготовлении: процент выхода годных – низкий, стоимость – высокая. По этим причинам ТС Р12-5 выпускалась в небольших объемах, но к этому времени уже широким фронтом велись работы по развитию планарной кремниевой технологии. Объем выпуска германиевых ИС в СССР точно не известен, по словам Осокина, с середины 60-х они производились по нескольку сотен тысяч в год (США, увы, производила уже миллионы).
Далее наступает самая комичная часть истории.
Если попросить угадать дату окончания выпуска микросхемы, изобретенной в 1963 году, то, в случае СССР, сдадутся даже настоящие фанатики старинных технологий. Без значительных изменений ИС и ГИС серий 102-117 выпускались до середины 1990-х годов, более 32 лет! Объем их выпуска, впрочем, был ничтожен – за 1985 год было выпущено около 6 000 000 штук, в США же на три порядка (!) больше.
Осознавая абсурдность ситуации, сам Осокин в 1989 году обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при СМ СССР с просьбой о снятии этих микросхем с производства ввиду их морального старения и высокой трудоемкости, но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В. Л. Коблов сказал ему, что самолеты летают надежно, а значит, нечего заниматься ерундой, замена исключается. ЭВМ «Гном» до сих пор стоят в штурманской кабине Ил-76 (причем сам самолет 1971 года выпуска) и некоторых других отечественных самолетов.
Уникальное видео, доступное по ссылке – тот самый «Гном», учебно-образовательный фильм Рижского завода
Модуль на тех самых Р12-5 (фото http://www.155la3.ru)
Что особенно обидно – хищные акулы капитализма увлеченно подсматривали технологические решения друг у друга.
Советский же Госплан был неумолим – где родилось, там и пригодилось! В итоге осокинские микросхемы заняли узкую нишу БЦВМ нескольких самолетов и в таковом качестве и применялись последующие тридцать лет! Ни серия БЭСМ, ни всевозможные «Мински» и «Наири» – нигде более их не использовали.
Более того, даже в БЦВМ их ставили далеко не везде, МиГ-25, например, летал на аналоговом электромеханическом компьютере, хотя его разработка и закончилась в 1964. Кто мешал туда поставить микросхемы? Разговоры о том, что лампы устойчивее к ядерному взрыву?
Но американцы использовали микросхемы не только в Gemini и Apollo (и их военные спецверсии отлично перенесли прохождение через радиационные пояса Земли и работу на орбите Луны). Они использовали чипы сразу же (!), как только они стали доступны, в полноценной боевой технике. Например, знаменитый Grumman F-14 Tomcat стал первым в мире самолетом, который в 1970 году получил бортовой компьютер на основе БИС (часто его называют первым микропроцессором, но формально это неверно – БЦВМ F-14 состояла из нескольких микросхем средней и большой интеграции, тем не менее – это были настоящие законченные модули, типа АЛУ, а не набор дискретной рассыпухи на всяких 2И-НЕ).
CPK-91/A24G F4 Phantom Flight Computer и его начинка (https://www.youtube.com/user/uniservo/featured)
MOS/LSI MP944 F-14 CADC и набор из 5 чипов, на которых он был создан (доклад Рэя Хольта в 2013 г. на IEEE Foothill Students Fall Forum в Cal Poly Pomona)
Удивительно то, что Шокин, полностью одобрив технологию рижан, не дал ей ни малейшего ускорения (ну, кроме официального одобрения и приказа начать на РЗПП серийное производство), также нигде не рассматривалась популяризация этой темы, привлечение к ней специалистов из других НИИ и, вообще, всяческое развитие с целью как можно скорее получить драгоценный стандарт на собственные микросхемы, которые можно было бы независимо развивать и усовершенствовать.
Отчего так вышло?
Шокину было не до осокинских экспериментов, в это время он решал вопрос с клонированием американских разработок в родном Зеленограде, об этом мы поговрим в следующей статье.
В итоге, кроме Р12-5, РЗПП более микросхемами не занимался, тему эту не развивал, и другие заводы к его опыту не обращались, что было очень прискорбно.
Также проблемой было то, что, как мы уже говорили, на Западе все микросхемы выпускались логическими семействами, способными удовлетворять любые нужды. У нас же ограничились одним-единственным модулем, серию родили только в рамках проекта «Квант» в 1970-м и то ограниченную: 1ХЛ161, 1ХЛ162 и 1ХЛ163 – многофункциональные цифровые схемы; 1ЛЕ161 и 1ЛЕ162 – два и четыре логических элемента 2НЕ-ИЛИ; 1ТР161 и 1ТР1162 – один и два триггера; 1УП161 – усилитель мощности, а также 1ЛП161 – уникальный логический элемент «запрет».
Что же в это время творилось в Москве?
Подобно тому, как Ленинград стал центром полупроводников в 1930–1940-е, Москва стала центром интегральных технологий в 1950–1960-е, ведь там был знаменитый Зеленоград. О том, как его основали и что там творилось, мы поговорим в следующий раз.
- Автор:
- Алексей Ерёменко
- Использованы фотографии:
- https://www.youtube.com/ https://www.computerhistory.org/ https://www.computer-museum.ru, http://www.155la3.ru