Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы - Николай Симонов

«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]

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]

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]

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.