Текст книги "Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы"

Появление планарной технологии вызвало качественный сдвиг в полупроводниковой электронике. Возможность точного проектирования геометрических конфигураций p – n-переходов, их взаимного расположения, а также защита мест выхода p – n-переходов на поверхность от внешних влияний – вот, те основные черты, которые обеспечили планарной технологии блестящее будущее.

Уникальные свойства кремния для литографии и выращивания изоляционных слоев предопределили судьбу германия, который постепенно вышел из состава сырьевой базы промышленной электроники.

Технологическая цепочка по производству полупроводникового кремния состоит из следующих звеньев: 1) добыча кварцевого песка; 2) получение поликристаллического (металлургического) кремния; 3) выращивание монокристаллов; 4) получение пластин необходимого диаметра и физических свойств, – и требует сложного и дорогостоящего оборудования.

Более 80 % кристаллов кремния получают методом Чохральского, названным в честь польского химика начала XX века. Однажды он нечаянно уронил в тигель с расплавленным оловом металлическое перышко. Медленно вытаскивая его, чтобы не обжечься, ученый заметил, что перо тянет за собой нитку застывающего олова. Оказалось, что она представляет собой монокристалл. Почти полвека никто не вспоминал о Яне Чохральском (1885 – 1953). Наконец в 1950 г. в США его методом, впервые, были успешно выращены монокристаллы германия, а затем кремния.

Если донорские и акцепторные примеси, введенные в расплав кремния, таковы, что одни из них больше «предпочитают» твердую фазу, чем другие, то при вытягивании кристалла с чередованием ускорения и замедления можно создавать чередующиеся слои n– и p-типа, и в одном слитке получать множество транзисторных слоев с заданной топологией.

Транзисторы постепенно обосновывались в радиоприемниках и телевизорах, в приборах промышленной автоматики и вычислительной техники. Однако производители вакуумной электроники сдаваться без боя не собирались. В 1959 г. RCA выпустила первую серию нувисторов – сверхминиатюрных и надежных металлокерамических приемно-усилительных радиоламп. «Великий перелом» наступил в 1961 г., когда объём производства полупроводниковых приборов в США превысил объём производства радиоламп: было изготовлено 190 млн. шт. транзисторов и 260 млн. шт. точечных диодов, по сравнению с 360 млн. шт. радиоламп.

Благодаря транзисторам удалось увеличить плотность расположения компонентов радиоэлектронной аппаратуры, сделать ее более компактной и менее энергозатратной, ускорить и усовершенствовать процессы ее сборки. В производстве радиоэлектронной аппаратуры стали широко применяться многослойные печатные платы (англ. printing plate), в которых все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с поверхности фольгированного диэлектрика. Основные элементы печатной платы – основание (подложка) и проводники. Данные элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой. Круг второстепенных элементов несколько шире: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели для контактирования с разъемами, участки для осуществления теплоотвода и т. д.

В СССР разработка технологии печатных плат началось в первой половине 1950-х. Этим занимался горьковский Центральный научно-исследовательский институт технологии и организации производства (ЦНИИТОП). Первые образцы радиоэлектронной аппаратуры с применением печатных плат были изготовлены в 1953-1954 гг. на Воронежском радиозаводе (радиоприемник «Дорожный») и на Кунцевском электромеханическом заводе (телевизор «Старт»). Процесс изготовления первых отечественных печатных плат весьма оригинален. Основанием плат служили пластины, прессованные из карболита. Прессование производилось таким образом, что в пластинах образовывались канавки, после металлизации которых они служили проводниками.

Внедрение технологии печатных плат позволило повысить надежность контактных соединений между радиодеталями.

Естественным развитием технологии печатных плат стало изобретение интегральной микросхемы (англ. integrated circuit), все компоненты которой (транзисторы, конденсаторы и проводники) собираются в виде единого блока. Первым эту техническую идею в 1954 г. выдвинул англичанин Джефф Даммер (Geoff Dummer), но практически в 1958-1959 гг. реализовали Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semicondactor. Независимо друг от друга они пришли к выводу о том, что «объемное сопротивление самого полупроводника и емкость p-n-перехода внутри него можно скомбинировать с транзисторами и создать завершенную схему из одного и того же материала» (из Нобелевской лекции Джека Килби 8 декабря 2000 г.).

Первая интегральная схема (ИС) Джека Килби под названием Type 502, собранная на пластине кристалла германия площадью 11×1,5 мм, представляла собою триггер – простейший цифровой автомат, выполняющий логическую функцию ИЛИ – НЕ либо И – НЕ. Этот класс электронных устройств (изобретены в 1918 г. английскими физиками В. Эклси и Ф. Джорданом) используется для формирования импульсов, в генераторах единичных сигналов, для построения делителей частоты, счетчиков и сумматоров. Триггеры является принципиально важным элементом любого компьютера.

В марте 1960 г. Джек Килби впервые продемонстрировал инновацию на выставке американского Института радиоинженеров. Специалисты встретили solid circuit («цельную схему») довольно прохладно. Сразу же обратили внимание на конструктивный недостаток: все соединения ИС выполнены золотыми проволочками, что с точки зрения надежности не давало ей никаких преимуществ, по сравнению с печатными платами.

Этот недостаток смог исправить Роберт Нойс. Он разработал схему триггера на пластине кристалла кремния и соединил ее компоненты токоведущими дорожками из алюминия. Дорожки наносились на поверхность пластины вакуумным напылением, по шаблону (маске), через оставленные отверстия, и отлично, без всякой сварки, «прилипали» к контактам.

Первая в мире промышленная партия кремниевых ИС под названием «Micrologic» с 20 элементами на кристалле была изготовлена компанией Fairchild Semicondactor в 1960 г. по заказу Пентагона и использовалась в системе наведения («вычислителе») ракет класса «Минитмен». Помимо основной функции расчета уравнений наведения «вычислитель» выполнял ряд дополнительных функций, связанных со сборкой ракеты, ее хранением в шахте и при подготовке к запуску.

В СССР первый опытный образец ИС, напоминающий «цельную схему» Джека Килби, в 1959 г. изготовила группа разработчиков КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (РЗПП): Карнов, Осокин и Пахомов. В 1962-63 гг. РЗПП по заказу ВМФ выпустил несколько тысяч монолитных схем-триггеров под индексом «Р12-2». Они предназначались для использования в аппаратуре корабельных АТС. Конструктивно «Р12-2» были выполнены в виде «таблетки» из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм. В ней размещался кристалл германия (с двумя транзисторами и двумя резисторами) и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу. Масса «Р12-2» не превышала 25 мг.[10]10
  Малашевич Б. Первые отечественные интегральные схемы. 50-летию официальной даты посвящается//ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2008, № 5. С. 112.


[Закрыть]

Интегральные схемы значительно сократили габариты электронных изделий и устранили необходимость сварки контактов радиодеталей паяльными жалами – филигранной и трудоемкой операции, выполняя которую даже самые опытные сборщики и наладчики допускали в среднем по 10 ошибок на 1000 спаек.

Превращение Японии в мировой центр высоких технологий во многом стало возможно, благодаря использованию дешевого труда стрессоустойчивых, опрятных, дисциплинированных и добросовестных сельских девушек. Переехав в города, они заняли рабочие места в цехах и лабораториях, и своими длинными и гибкими пальчиками обеспечили ставшее легендарным качество японской электронной аппаратуры. В конце 1960-х гг. этот опыт решили внедрить в СССР, в частности, на Западной Украине, располагавшей избыточным сельским населением. Деревенских девушек везли в города и ставили к конвейеру. Увы, японский опыт не сработал: даже на заводах, выпускавших электронику для военных целей, брак иногда доходил до 100 %. Когда стали выяснять причины, по которым наши «заводские девчата» оказались настолько менее эффективными, чем японские, обнаружилось одно недоучтенное поначалу обстоятельство. Хотя японок действительно везли в города из сел, происхождение у них было отнюдь не крестьянское – они росли в семьях потомственных ремесленников, то есть там, где на протяжении многих столетий оттачивались навыки кропотливого труда и работы с весьма деликатными инструментами. Отсюда и гибкие пальцы, и усидчивость, и дисциплина, и готовность к самопожертвованию.[11]11
  Менцин Ю. Л. Тонкие пальчики японских нанодевочек// Вокруг света. – 28.08.2007.


[Закрыть]

Вначале ИС использовались в электронных калькуляторах, затем их стали встраивать в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Интегральные схемы – элементная база третьего поколения ЭВМ, повысившая их быстродействие и объем оперативной памяти. Потребности гражданской и военной промышленности год от года росли, и в результате в 1969 г. в США было произведено 350 млн. ИС, то есть за 7 лет их производство выросло в 700 раз!

Еще никогда в истории ни одна отрасль промышленности не росла столь стремительными темпами, причем, не в ущерб стоимости и качеству продукции. Уменьшение топологических размеров элементов микросхем приводит к удельному уменьшению цены одного транзистора в разы. За счет увеличения количества транзисторов в одной микросхеме, соответственно, увеличивается количество функций, которые она может выполнять, и уменьшается удельная цена каждой отдельной функции. Один из основателей Intel Гордон Мур как-то остроумно заметил, что «если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня Ролс Ройс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку».

По конструктивно-технологическому исполнению все ИС подразделяются на следующие типы:

• Пленочные микросхемы – все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок:

– толстоплёночная интегральная схема (нанесение слоев паст толщиной от 1 до 25 мкм);

– тонкоплёночная интегральная схема (вакуумное напыление плёнок толщиной до 1 мкм).

• Полупроводниковые микросхемы – все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния или германия).

• Гибридные микросхемы – кроме полупроводникового кристалла содержат несколько бескорпусных диодов, транзисторов и (или) других электронных компонентов, помещенных в один корпус.

Микросхема, исполненная на пленке, напоминает слоеный пирог. На основание схемы – германиевую или кремниевую пластину толщиной не более 0,5 мм – наносят, слой за слоем, различные материалы: алюминий играет роль проводника, нихром – сопротивления, окись кремния – диэлектрика. При этом каждый слой получает рисунок от фотошаблона, созданного на этапе схемотехнического проектирования. В результате образуются компоненты ИС – участки, эквивалентные по своим свойствам транзисторам, конденсаторам и резисторам.

При изготовлении полупроводниковых ИС (англ. system-on-chip) требуется неоднократное проведение фотолитографического процесса с воспроизведением на исходном чипе совмещающихся между собой различных рисунков (фотошаблонов). Элементы будущей ИС создаются посредством легирования, то есть внедрения (загонки) в пластину различных примесей и их распределения (разгонки) по требуемому объему. Основным методом легирования является диффузия парами гидрида фосфора, мышьяка и бора при температуре 1100–1200 градусов Цельсия.

Точность поддержания температуры, постоянство концентрации примеси у поверхности чипа, длительность процесса отжига определяют распределение примеси по толщине пластины и, соответственно, точные параметры элементов будущей микросхемы. Скорость роста эпитаксиального слоя – порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до ~100 мкм для высоковольтных тиристоров.

Важнейшая характеристика ИС – степень интеграции, то есть число активных элементов (для определённости – транзисторов) в одной сборке. Вплоть до середины 1960-х годов среди производителей полупроводниковых приборов господствовало убеждение в том, что, по мере насыщения ИС активными элементами, практический выход пригодных изделий будет столь низким, что никогда не принесет выгоды. «Это – эффект множества яиц: чем больше вы их накладываете в корзину чипа, тем вероятнее, что он будет плохой», – утверждал в 1965 г. вице-президент Bell Labs Джек Мортон, считавшийся гуру транзисторной схемотехники.[12]12
  Шевченко В. Bell Labs: упущенная возможность, или Роль личности в технологии// Компьютерное обозрение. – 2007. № 23 (591).


[Закрыть]

Военные программы и подготовка полета космического корабля «Аполлон» на Луну потребовали создания миниатюрных электронных приборов на базе микросхем, содержащих до 25 элементов. Немаловажное значение для повышения степени интеграции элементов ИС имело решение корпорации IBM о разработке электронных запоминающих устройств на базе МОП-транзисторов («Металл-Окисел-Полупроводник»). Данный проект предусматривал создание ИС, содержащих не менее 215 элементов на одном чипе.

Применение технологий ионной имплантации позволило существенно повысить точность управления концентрацией и глубиной легирования. Основными блоками ионно-лучевой установки являются: источник ионов, ионный ускоритель, магнитный сепаратор, система сканирования и камера, в которой находится бомбардируемый образец. Позднее, в 1980-е годы, для контроля топологических чертежей и фотошаблонов стали применять ЭВМ, что обеспечило высокое качество разработок и привело к созданию систем машинного проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС).

В СССР промышленное производство больших интегральных схем (БИС) началось с опоздания. Первая отечественная серийная БИС «Тропа» с 20 элементами в кристалле являлась аналогом американских микросхем серии SN-51 фирмы Texas Instruments. «Тропа» была изготовлена в 1962 г. в НИИ-35 коллективом, который в дальнейшем перешел на работу в НИИ микроэлектроники (НИИМЭ). Первый ГОСТ, устанавливающий единую систему обозначений ИС отечественного производства, вышел в 1968 г., а в 1969 г. – Общие технические условия на полупроводниковые (НП0.073.004ТУ) и гибридные (НП0.073.003ТУ) микросхемы 58-ми типономиналов. Последние маркировались буквами после цифровой части обозначения ИС, например 1ХЛ161Ж.

Создание сверхбольших интегральных схем создало условия, когда микроэлектроника и вычислительная техника образуют единое целое.

Первый микропроцессор «Intel 4004» (создан 15 ноября 1971 г.) состоял из 2300 транзисторов, работал с тактовой частотой 108 кГц и обладал вычислительной мощностью, сравнимой с мощностью первого электронного компьютера ENIAC. Своим названием «4004» – й обязан тем, что для хранения одной цифры в ячейке запоминающего устройства электронного калькулятора требуется 4 бита. Это изделие нашло практическое применение в калькуляторах, в устройствах управления дорожными светофорами и в медицинских анализаторах крови.

Почти сразу, вслед за семейством Intel 4004/4040, Texas Instruments выпускает 4-х разрядный процессор TMS 1000 – первый в мире монокристальный микрокомпьютер для карманных калькуляторов.

Микропроцессор оказался изобретён в рамках совсем другой технической задачи. Первоначально руководство Intel не помышляло ни о каких процессорах. Корпорация занималась разработкой и продажами микросхем памяти, на которые тогда как раз ожидалось увеличение спроса. В 1969 г. в Intel появились несколько человек из Buscom – молодой японской компании, производителя калькуляторов. Им требовался набор из 12 интегральных схем в качестве основного элемента нового дешёвого настольного калькулятора. Теда Хоффа (руководитель отдела, занимавшегося разработкой различных устройств на основе продукции Intel), возможно, не без участия японца Матасоши Шима (Masatoshi Shima), осенила блестящая идея. Вместо того чтобы создать калькулятор с некоторыми возможностями программирования, он предложил сделать все наоборот: универсальный компьютер, программируемый для работы в качестве калькулятора.

Развивая идею, в течение осени 1969 г. Тед Хофф определился с архитектурой будущего микропроцессора. Устройство состояло из четырёх 16-выводных микросхем, имело энергонезависимую память для загрузки программ и расширитель ввода-вывода для связи с клавиатурой и индикатором. Производственный процесс был довольно примитивным. Президент и главный исполнительный директор Intel Энди Гроув в одном из интервью рассказывал:

«Производственная зона смотрелась, как мастерская кустаря-одиночки: кругом валялись шланги, провода, различные приспособления; все это напоминало компьютерный эквивалент мастерской братьев Райт. Большая часть технологических операций выполнялась вручную. Рабочие в цехе пинцетом загружали кремниевые пластины, из которых вырезались кристаллы, на «кораблики» и заталкивали их в раскаленные докрасна печи. Затем операторы вручную манипулировали кранами, подвергая пластины воздействию различных газов».[13]13
  Микропроцессору – 25 лет//Computerworld Россия. – 1996. № 42.


[Закрыть]

По мере увеличения габаритов пластин и резкого возрастания требований к точности управления технологическим процессом на смену людям пришли машины. Сегодня пластины перемещаются с одного технологического участка на другой с помощью роботов с микропроцессорным управлением, а в задачу операторов входит поддержание высокого уровня производительности систем. Миниатюризация транзисторов кристалла делает все более актуальной проблему удаления мелких частиц, типа пыли и волосков, из зоны проявления пластин. На первых заводах стандарты были не очень-то жесткими: рабочие не покрывали голову и лишь надевали поверх уличной одежды легкий халат. Затем для снижения уровня загрязнений и повышения чистоты воздуха были внедрены особые комбинезоны. Сегодня сотрудники фабрик по производству микросхем носят костюмы из безворсовой антистатической ткани, маски, защитные очки, перчатки, бахилы и используют специальные дыхательные аппараты.[14]14
  Микропроцессору – 25 лет//Computerworld Россия. – 1996. № 42.


[Закрыть]

Микропроцессор Intel 8008, выпущенный в 1972 г., предназначался для обработки символьной информации в терминалах «больших ЭВМ». Его архитектуру и набор инструкций (48 команд) разрабатывал заказчик – компания Computer Terminal Corporation (CTC). «8008-й» мог адресовать до 16 кб памяти, состоял из 3,5 тыс. транзисторов и работал на тактовой частоте от 500 до 800 кГц.

Общий экономический спад 1970 года привел к тому, что CTC охладела к своему проекту, выполненному почти на 90 %. Дабы уладить неприятную ситуацию, CTC разрешила Intel использовать архитектуру чипа как угодно. В обмен Intel обязалась не предъявлять финансовых претензий. В 1972 г. после доработки изделия Intel выпустила его в продажу, полагая, что оно найдет применение в калькуляторах и в автоматических закаточных машинах. Однако нашлись энтузиасты, которые пытались собрать на нем домашний компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция началась.

Параллельно с микропроцессами для вычислительной техники в Intel проводились работы по созданию микроприборов промышленной автоматики. В качестве примера можно привести микроконтроллер «8048», который поступил в продажу в 1976 г. Помимо центрального процессора в нем находились 1 килобайт памяти программ, 64 байта памяти данных, два восьмибитных таймера, генератор часов и 27 портов ввода/вывода. Следующий микроконтроллер «8051», выпущенный в 1980 г., стал классическим образцом устройств данного класса. Этот 8-битный чип положил начало целому семейству микроконтроллеров, которые господствовали на рынке вплоть до недавнего времени. Микроконтроллеры можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, сотовых телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах и даже в кофеварках.

Неизвестно, вырвалась ли бы Intel в лидеры продаж микропроцессоров для домашних, а затем персональных компьютеров, если бы не Федерико Фэджин (Federico Faggin), которого можно смело считать одним из отцов-основателей 4-го поколения ЭВМ. Именно он «давил» на руководство компании, чтобы начать разработку изделия, более мощного, чем «8008». Руководство тянуло с принятием решения до тех пор, пока не узнало, что компания Motorola разрабатывает свою версию 8-битного процессора.

1 апреля 1974 г. Intel выпустила процессор «8080», более чем в десять раз превосходивший «8008» по производительности. Достигнуто это было как увеличением тактовой частоты до 2 МГц, так и более совершенной архитектурой, потребовавшей уже 6 тыс. транзисторов. Шина памяти была доведена до 16 разрядов, благодаря чему «8080» мог адресовать до 64 килобайт памяти. С этим чипом также связано очень важное нововведение – появление стека внешней памяти.

Микропроцессор MC6800 производства компании Motorola поступил в продажу на две недели позднее, да и к тому же оказался значительно слабее. Развивая успех, Intel приступила к разработке 16-битного микропроцессора «8086» производительностью от 330 до 750 тыс. операций в секунду. В это время Федерико Фэджин уже простился с Intel и основал компанию Zilog, которая в 1976 г. выпустила усовершенствованный 8-битный микропроцессор Z80 (в СССР производился его аналог Т34ВМ1).

Выпуск 16-битного микропроцессора «Intel 8086» (также известный как iAPX86) состоялся в июне 1976 г. Микропроцессор непосредственно не выполнял команд для работы с числами с плавающей запятой. Данная функция реализовывалась отдельным чипом – математическим сопроцессором (FPU), который требовалось дополнительно установить на материнской плате. С тех пор сопроцессоры широко применяются во многих профессиональных ПК, предназначенных для выполнения сложных статистических и инженерных расчетов.

Настойчивость и целеустремленность, проявленные Intel при разработке микропроцессоров, а также способность производить их в достаточном количестве, убедили руководство корпорации IBM выбрать для линейки совместимых персональных компьютеров процессор «8088», выпущенный в 1979 г. Решение IBM было крайне важно для Intel. Один из сотрудников компании вспоминал: «В те времена объем производства считался большим, если он достигал 10 тыс. единиц продукции в год. Кто же мог тогда предположить, что масштаб производства ПК возрастет до десятков миллионов в год?»[15]15
  Микропроцессору – 25 лет//Computerworld Россия. – 1996. № 42.


[Закрыть]

В Таблице 1.0 представлены технические данные микропроцессоров, выпущенных корпорацией Intel с 1971-го по 2000-й годы. В каждой новой модели используются все более эффективные микропроцессорные архитектуры и технологии конструирования.

В середине 1980-х микропроцессоры практически вытеснили прочие виды CPU – central processor unit (центральный процессор ЭВМ), – вследствие чего термин «центральный процессор» превратился в синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы, построенные на основе микросхем сверхбольшой (СБИС) интеграции. Процессор Pentium Pro, выпущенный в 1995 г., и интегрирующий 21×106 транзисторов, на самом деле является гибридом, состоящим из двух кристаллов: собственно процессора на 5.5×106 элементов, и так называемой «кэш» – памяти второго уровня на 15.5× 106 элементов.

Таблица 1.

Все компоненты микропроцессора одновременно собирается на одном кристалле кремния (чипе), подобно пицце, которая, в конце концов, продается порезанной на куски. Для моделирования и тестирования функций будущего изделия используются рабочие станции автоматизированного проектирования (САПР).

Технология включает около 700 физико-химических операций – «шагов». На первых шагах из тяжеленной длинной цилиндрической болванки (слитка) кремния чистотой 99,9999 %, алмазными дисками нарезаются тонкие пластины. Затем они полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами.

Отполированные пластины помещают в камеру, где под воздействием высокой температуры и давления происходит окисление кремния и образование на его поверхности защитной пленки. После этого защитную пленку удаляют с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке, с целью создания схем транзисторной и диодно-транзисторной логики. Удаление пленки осуществляется посредством травления химическими реактивами, а для того, чтобы в результате этой операции оксидная пленка удалялась только в нужных местах, на поверхность ее наносят слой фоторезиста (особого состава, который изменяет свои свойства под воздействием ультрафиолетового излучения).

После процедуры травления на кремниевой основе остается топологический рисунок, на котором обозначены места дислокации будущих активных элементов (транзисторов). Начинается самый ответственный этап – внедрение в эти области легирующих примесей (мышьяка, бора и т. д.) для создания структур с необходимыми n-n и p-p переходами.

Процесс внедрения примесей осуществляется посредством ионной имплантации, при которой ионы нужной примеси излучаются высоковольтным ускорителем и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния. Этап ионной имплантации завершается созданием необходимого слоя полупроводниковой структуры, в котором могут быть сосредоточены миллионы транзисторов. Далее, транзисторы в нужной последовательности соединяются между собой проводниками – контактами стоков, истоков и затворов. Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, нереально – неизбежны пересечения между проводниками, потому для соединения транзисторов друг с другом применяют послойную металлизацию. Для этого по маске в нужных местах вытравливается слой диоксида кремния, и соответствующие окна заполняются атомами металла. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный слой диоксида кремния и т. д. Процесс нанесения слоев заканчивается, когда электрическая цепь полностью собрана.

Поскольку за один раз на одной пластине создается несколько десятков процессоров, на следующем этапе они разделяются на матрицы и тестируются. На ранних этапах развития микропроцессорных технологий отбраковывалось более 50 % матриц, сейчас процент выхода выше, но 100 % результата пока еще никто не достиг.

Производство микропроцессоров предъявляет очень высокие требования к качеству материалов, точности работы оборудования и условиям производства. Обработка пластин должна осуществляться по высшему классу чистоты обработки поверхности с отклонением от плоскости не более 1 мкм. Запыленность воздуха не должна превышать 3000 пылинок на 1 м³, а на рабочем месте возле обрабатываемой пластины – не более 30 пылинок. Для сравнения заметим, что в одном кубическом метре обычного городского воздуха содержится около 50 миллионов пылинок.

У этой «идеальной чистоты», к сожалению, есть и обратная сторона, о которой не принято говорить. При изготовлении интегральных микросхем и микропроцессоров используются такие технологии, как эпитаксия, диффузия, травление кристаллов, напыление металлов. Вот, к примеру, какие «ингредиенты» и процессы при этом задействованы: травление плавиковой кислотой (смесь азотной, уксусной и концентрированной серной кислот), испарения которой способны убить всё живое; обжиг в водородных печах; вакуумное напыление алюминия; промывка в активных реагентах – три-хлорэтил и четырех-хлорэтил, ацетон; высокотемпературная диффузия соединениями фосфора с водородом и т. д. Всё это сопровождается выбросами ядовитых летучих соединений в атмосферу, ядовитыми выбросами в водоёмы, в почву…

К разработке микропроцессоров, как следует из мемуаров ветеранов советского электропрома, СССР приступил в 1973 г. Этим занимался Специальный вычислительный центр (СВЦ) завода «Ангстрем» в рамках НИР «Юз-1», совместно с НИИТТ и НИИМЭ. Вначале было принято очень разумное решение: «На основе анализа первых зарубежных МП и лучших ЭВМ разрабатывать универсальный комплект микропроцессорных БИС (МПК) с архитектурой открытого типа, позволяющей строить на нем разнообразные ЭВМ. Повторять зарубежные образцы бессмысленно».[16]16
  См.: Малашевич Б. Разработка вычислительной техники в Зеленограде. Первые отечественные микропроцессоры и микроЭВМ // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2004, № 7.


[Закрыть] Но 29 июня 1976 г. Министр электронной промышленности СССР А. И. Шокин издал приказ № 168 «Об образовании НПО «Научный центр», в соответствии с которым Специальный вычислительный центр прекратил существование. Вместо разработки оригинальных образцов отечественных микропроцессоров началось копирование чужих.

На рубеже 1980–90-х годов микросхемы нашли широчайшее применение в вычислительной технике, телефонии, аудиотехнике, медицине, промышленной робототехнике. Однокристальные видеопроцессоры, интегрирующие малосигнальные цепи обработки видеоизображения, произвели революцию в телевизионной технике.

Изготовление ИС всегда требовало чрезвычайно дорогостоящего оборудования. Но, если в 1960-е годы затрата $1 на капитальное оборудование приносила около $10 в виде поступлений от продажи произведенной продукции, то к середине 1980-х с увеличением диаметра кремниевого монокристалла отношение указанных затрат к продажам было уже приблизительно один к одному.[17]17
  Электронная библиотека Института электроники и электротехники (IEEE)// www.ieee.org.


[Закрыть]

Для стимулирования прогресса микроэлектроники и вычислительной техники правительству США потребовалось подключение всех национальных ресурсов. В 1976 г. разрабатывается так называемая «Программа Пентагона», на основании которой в электронные фирмы из государственного бюджета самой богатой страны мира потекли колоссальные финансовые потоки. Даже по названию понятно, что основная направленность работ была чисто военная. Действительно, ее целью было создание комплекта сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем с повышенной радиационной стойкостью. Этот набор с широчайшими вычислительными возможностями предназначался для глобальной спутниковой связи, аппаратуры управления стратегических крылатых ракет и других сверхточных видов оружия.

Выполнение «Программы Пентагона» дало старт развитию технологии микропроцессорной техники и инструментам автоматизации (EDA) нового поколения, которые послужили основой для создания серии недорогих, но мощных профессиональных ЭВМ для инженерно-технических расчетов. Далее, появилась возможность реализации концепции персональных компьютеров (ПК) и создание коммерческих сетей сотовой связи (cellular network).