История полупроводниковой техники: с 1947 года до войны чипов

Разработка полупроводников проходит через демонстрацию Bell Labs, которую в то время никто не заметил за пределами небольшой лаборатории, патентную борьбу за то, кто на самом деле изобрел интегральную схему, журнальную статью, которую вся отрасль решила рассматривать как инструкцию, а не наблюдение, и тайваньского руководителя, который реструктурировал весь бизнес вокруг единственной идеи: завода, который никогда не конкурирует со своими собственными клиентами.

Это также история, которую продолжает переписывать география. Одна и та же технология неоднократно концентрировалась в небольшом количестве мест — Bell Labs, Кремниевая долина, Синьчжу, Вельдховен — и каждая концентрация стала стратегическим фактом, который теперь планируют правительства, а не только компании.

Where it began

16 декабря 1947 г.Мюррей Хилл, Нью-Джерси, США

В Bell Telephone Laboratories физики Джон Бардин и Уолтер Браттейн демонстрируют рабочий транзистор с точечным контактом, усиливающий электрический сигнал с помощью кусочка германия и двух золотых контактов вместо громоздкой энергоемкой вакуумной лампы. Их коллега Уильям Шокли, недовольный тем, что его не приняли в первой демонстрации, за несколько недель разработал более практичную конструкцию переходного транзистора; все трое получили Нобелевскую премию по физике 1956 года. Лаборатории Белла откладывают публичное объявление до июня 1948 года, и проходят годы, прежде чем кто-либо полностью осознает, что этот небольшой лабораторный стенд только что заменил вакуумную лампу в качестве основы современной электроники.

Timeline

1947Первый транзистор продемонстрирован в Bell Labs

Джон Бардин и Уолтер Браттейн демонстрируют рабочий транзистор с точечным контактом 16 декабря; Разработка переходного транзистора Уильяма Шокли была разработана в течение нескольких недель, и все три позже получили Нобелевскую премию по физике 1956 года.

1954Отправлены первые коммерческие кремниевые транзисторы

Химик Texas Instruments Гордон Тил выращивает первый практический кремниевый транзистор, заменяя использовавшийся до сих пор германий; Способность кремния выдерживать гораздо более высокие температуры делает его материалом, стандартизируемым во всей отрасли.

1958–1959Килби и Нойс независимо друг от друга изобретают интегральную схему.

Джек Килби из Texas Instruments демонстрирует рабочую схему на кусочке германия в сентябре 1958 года; Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor в 1959 году подает конкурирующий патент на технологическую версию кремния, что спровоцировало десятилетнюю юридическую борьбу за кредит.

1965Гордон Мур публикует то, что стало законом Мура

В статье журнала Electronics Мур экстраполирует всего лишь пять точек данных о том, что количество компонентов в чипе удваивается примерно каждый год — прогноз, который отрасль превращает в самореализующуюся дорожную карту.

1968Нойс и Мур нашли Intel

Покинув Fairchild Semiconductor, Роберт Нойс и Гордон Мур основали Intel, к которой вскоре присоединился Энди Гроув в качестве сотрудника номер три; компания становится доминирующим производителем микросхем памяти, а затем и микропроцессоров.

1971Intel выпускает 4004, первый однокристальный микропроцессор

Федерико Фаггин руководит проектированием и планировкой, применяя процесс кремниевых затворов, который он разработал в Fairchild, а Тед Хофф, Стэнли Мазор и Масатоши Сима формируют архитектуру; вся логика компьютера теперь помещается на одном чипе.

1980Мид и Конвей публикуют «Введение в системы СБИС».

Учебник Карвера Мида и Линн Конвей превращает проектирование микросхем в структурированную, обучаемую методологию; шаттл-сервис MOSIS, запущенный в следующем году, впервые позволяет университетам создавать собственные конструкции чипов для студентов.

1987Моррис Чанг основывает TSMC и литейную модель

После 25 лет работы в Texas Instruments Чанг основывает Тайваньскую компанию по производству полупроводников в Синьчжу, частично финансируемую правительством Тайваня и соглашением о лицензировании технологий с голландской фирмой Philips — фабрикой, которая производит микросхемы для других, но не разрабатывает свои собственные.

2019EUV-литография выходит на крупносерийное производство чипов

TSMC и Samsung начинают использовать в крупносерийном производстве сканеры для литографии в крайнем ультрафиолете, созданные исключительно голландской компанией ASML. Это первая принципиально новая длина волны для формирования рисунка, принятая в отрасли за более чем два десятилетия.

2022Закон США о чипсах и экспортный контроль меняют отрасль

Соединенные Штаты подписывают Закон о чипах и науке, выделяя 52,7 миллиарда долларов на внутреннее производство и исследования чипов, а затем в октябре ограничивают экспорт передовых чипов и оборудования для производства микросхем в Китай, открывая явно геополитическую эпоху для этой профессии.

The eras

1947–1959

От электронных ламп до точечных контактов и плоского кремния.

Десятилетие после демонстрации Бардина и Браттена было потрачено на то, чтобы транзисторы были надежными и технологичными, а не просто возможными. Ранние устройства точечного контакта были хрупкими и непостоянными; Переходной транзистор Шокли, а затем и кремниевая версия Гордона Тила из Texas Instruments сделали технологию достаточно надежной для реальных продуктов, начиная со слуховых аппаратов и карманных радиоприемников. К концу десятилетия Джек Килби и Роберт Нойс показали, что целая схема, а не только один транзистор, может существовать на одном куске полупроводника — идея, которая сделала возможным все, что произошло после этой эпохи.

Кристалл Intel 4004, первого коммерческого однокристального микропроцессора. — Thomas Nguyen · CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

1965–1975

Закон Мура и рождение микропроцессора

Прогноз Гордона Мура, сделанный в 1965 году, превратил десятилетие резкого улучшения в четкую цель отрасли, и компании начали планировать годы инвестиций в производство для достижения этой цели. Компания Intel, основанная в 1968 году, построила свой ранний бизнес на микросхемах памяти до того, как в 1971 году команда Федерико Фаггина собрала всю логику компьютера на одном чипе Intel 4004. Идея о том, что весь процессор может располагаться на одном куске кремния, а не на печатной плате, полной отдельных микросхем, изменила то, каким может быть компьютер и насколько маленьким он может стать.

Передовой комплекс по производству пластин Fab 12 компании TSMC в Синьчжу, Тайвань — 曾成訓 · CC BY 2.0 · Wikimedia Commons

1978–1990

Революция дизайна и раскол литейного производства

Поскольку микросхемы стали слишком сложными для того, чтобы один инженер мог их собрать вручную, учебник Карвера Мида и Линн Конвей 1980 года превратил проектирование микросхем в структурированную дисциплину, которую можно было преподавать и автоматизировать, а шаттл MOSIS впервые позволил студентам университетов изготавливать настоящий кремний. Та же самая сложность делала владение фабрикой непомерно дорогой для небольших команд дизайнеров. Моррис Чанг ответил на раскол в 1987 году, основав TSMC исключительно как производителя, никогда не конкурируя с дизайнерскими компаниями, которые стали его клиентами — структурная идея, которая в конечном итоге реорганизовала всю отрасль.

Оборудование для фотолитографии, используемое для нанесения схем на кремниевую пластину. — Rob Bulmahn · CC BY 2.0 · Wikimedia Commons

1991–2010

Глобальное масштабирование и гонка литографии

На протяжении 1990-х и 2000-х годов производители микросхем из поколения в поколение уменьшали размеры транзисторов, применяя медные межсоединения, иммерсионную литографию и все более экзотические материалы, чтобы идти в ногу с законом Мура. Доминирование Японии в области чипов памяти в 1980-х годах уступило место южнокорейской компании Samsung, а позднее и более широкой производственной базе в Азии. Сканеры для литографии в глубоком ультрафиолете, производимые почти исключительно голландской компанией ASML и японскими компаниями Nikon и Canon, стали наиболее серьезным узким местом отрасли: лишь горстка компаний на Земле могла создать инструмент, достаточно точный, чтобы поддерживать масштабирование.

Машина ASML для литографии в крайнем ультрафиолете, используемая для производства современных чипов. — A ansems · Public domain · Wikimedia Commons

2011 – настоящее время

EUV, бум чипов искусственного интеллекта и геополитика чипов

Машины ASML для литографии в крайнем ультрафиолете, на разработку которых ушли десятилетия и десятки миллиардов долларов, наконец-то вышли на крупносерийное производство в 2019 году, что позволило TSMC и Samsung продолжать сокращать транзисторы, выходя за пределы старых источников света. Графические чипы Nvidia, перепрофилированные для обучения моделей искусственного интеллекта, практически в одночасье превратили спрос на чипы в стратегический национальный приоритет. Экспортный контроль, Закон США о чипах и аналогичные программы субсидирования в Европейском Союзе, Японии и Южной Корее с тех пор превратили вопросы разработки, производства и продажи чипов в явно политический вопрос.

What this job replaced

Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.

Инженер по электронным лампам

1900–1950-е годы

До появления транзистора радиоприемники, первые компьютеры и телефонные усилители зависели от инженеров, умеющих проектировать хрупкие, энергоемкие, выделяющие тепло электронные лампы. Примерно через десять лет после демонстрации, проведенной Bell Labs в 1947 году, транзисторы сделали большую часть этих специальных знаний устаревшими, а конструкция электронных ламп в основном сохранилась только в гитарных усилителях и нескольких устаревших военных системах.

Резак для рубилитовых масок

1960–1980-е годы

До того, как появились инструменты компьютерного проектирования, макеты микросхем рисовались вручную в огромном масштабе и вырезались из листов красно-прозрачной рубилитовой пленки на прецизионных режущих столах, а затем фотографически переносились на маски, используемые для создания рисунка на пластине. Методология проектирования Мида-Конвея и программное обеспечение для цифровой компоновки 1980-х годов почти полностью исключили этап физической резки.

Специалист по германиевым транзисторам

1948–1960-е годы

Самые ранние транзисторы и инженеры, которые понимали, как их надежно производить, были построены на основе германия, а не кремния. После того, как в 1954 году компания Texas Instruments доказала, что кремниевый транзистор Гордона Тила гораздо более термостойкий, в течение примерно десяти лет опыт работы с германием перестал быть жизнеспособной специальностью, поскольку вся отрасль переориентировалась на кремний.

Trades that vanished →

Каждый поворот в этой истории повторяет одну и ту же форму: результат лаборатории становится технологичным продуктом, продукт становится целью, вокруг достижения которой организуется вся отрасль, и место, которое может достичь этой цели лучше всего, на какое-то время становится стратегически незаменимым — до тех пор, пока цель снова не изменится.

Нынешний поворот, основанный на литографии в крайнем ультрафиолете и чипах искусственного интеллекта, является первым, когда правительства формируют результат так же сознательно, как и инженеры.

Similar professions

🩺

Continue exploring

Какая профессия вам подходит? Compare professions Очный разбор

🔌Origins & Evolution

Where it began

Timeline

The eras