Два изобретения середины ХХ века значительно увеличили скорость технологического(и, как следствие, общественного) прогресса. Сделанный в 1948 году транзистор открыл дорогу твердотельной электронике. А спустя десять лет появился микрочип, интегральная схема, ставшая предшественником микропроцессора, который оказал гигантское влияние на всю современную цивилизацию.

Планарный транзистор На смену германиевым диффузионным транзисторам пришли кремниевые, произведенные с помощью планарного процесса – последовательным нанесением слоев полупроводников нужного типа и металлических контактов.

Алексей Левин

Американские создатели транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн обрели мировую славу и в 1956 году были удостоены Нобелевской премии. Немецким физикам Герберту Матаре и Генриху Велкеру, которые, работая во Франции, всего полугодом позже самостоятельно изготовили точечный транзистор, пришлось удовольствоваться французским патентом и весьма кратковременной известностью, не вышедшей за пределы Европы. Интегральная схема тоже имела независимых авторов. Как нередко случается, их имена известны широкой публике куда лучше конкретных обстоятельств изобретения микрочипа.

Тирания чисел

Пришествие твердотельной электроники положило начало подлинно мультиэлементным системам. Так, созданный в конце 1950-х годов командой Сеймура Грея первый чисто полупроводниковый компьютер, 48-битный CDС 1604, состоял из 25 000 транзисторов, 100 000 диодов и сотни тысяч резисторов и конденсаторов.

И вот тут-то возникла неприятная проблема. Компоненты электронных схем соединяли проводами одним-единственным способом — с помощью пайки. Это была трудоемкая и недешевая ручная работа, чреватая многими ошибками (ведь ее делали не роботы, а люди). В начале транзисторной эры в принципе можно было спроектировать систему едва ли не любой степени сложности, но ее изготовление зачастую оказывалось непомерно трудной задачей. Более того, технологии сборки препятствовали продвижению сложных систем на рынок бытовой электроники, которому требовались крупные объемы производства, компактность и умеренные цены. Эти технологии всё хуже работали и для больших компьютеров, поскольку соединительные цепи длиной в километры снижали их быстродействие.

В общем, уже в середине 1950-х годов на пути к осуществлению надежд, возложенных на транзисторы, встало серьезное препятствие, которое называли проблемой межкомпонентных соединений или, неформально, тиранией больших чисел. Его пытались преодолеть путем уменьшения размеров элементов электронных схем и применения модульной сборки, однако без особого успеха. Требовалась принципиально новая идея. И она не заставила себя долго ждать.

Жаркое место

Джек Сент-Клер Килби родился 8 ноября 1923 года в городе Джефферсон-Сити в штате Миссури. Его отец был инженером-электриком, поднявшимся до поста президента Канзасской электрической компании. Сын пошел по стопам родителя: в 1947 году окончил университет штата Иллинойс с дипломом бакалавра-электротехника и нашел место в компании Centralab в городе Милуоки, а через три года получил степень магистра в Висконсинском университете.

Небольшая фирма, где работал Килби, в основном производила сравнительно несложные радиодетали. В 1952 году она приобрела у Bell Laboratories лицензию на изготовление транзисторов, и молодой инженер немало сделал для отладки новой технологии. Он получил около дюжины патентов, обрел отличную профессиональную репутацию, но вот работа ему наскучила. Килби не только понимал, что будущее твердотельной электроники зависит от победы над тиранией больших чисел, но и считал себя способным ее одержать. Для этого была нужна должность исследователя в компании с серьезными финансовыми ресурсами и интересом к новым разработкам. В начале 1958 года он разослал резюме по нескольким перспективным адресам и получил предложения от таких гигантов электронной индустрии, как IBM и Motorola. Однако Килби предпочел менее известную корпорацию Texas Instruments, где несколькими годами ранее физик Гордон Тил и физхимик Виллис Эдкок создали первую эффективную технологию изготовления кремниевых транзисторов (до этого их делали только на основе германия). В те времена фирмой руководил весьма дальномыслящий президент Патрик Хагерти, поручивший Эдкоку возглавить работы по радикальному устранению проблемы межкомпонентных соединений.

В мае Килби перевез семью в Даллас и приступил к работе в свежеотстроенном корпусе, где еще даже не действовали кондиционеры. Жуткая техасская жара не помешала ему быстро найти решение поставленной задачи. Килби догадался, что из полупроводников можно сделать все основные компоненты электронной схемы, если правильно подобрать легирующие присадки. А раз так, то в принципе ничто не мешает разместить эти компоненты на общей матрице. 24 июля 1958 года он записал эту великую идею в лабораторном журнале в одной-единственной фразе, которая вошла в историю электроники.

Но пока это была лишь теория. Когда Килби показал свои наброски Эдкоку, тот не выказал особого энтузиазма, но все же поручил Килби по‑новому изготовить несложную радиосхему и пообещал санкционировать дальнейшие эксперименты, если она окажется удачной. Килби вызов принял и вручную встроил в германиевую пластинку детали стандартной электронной цепи, преобразующей постоянный ток в переменный (это был генератор гармонических колебаний с фазосдвигающей обратной связью). Выглядел он неуклюже, что и немудрено: для соединения блоков использовались навесные металлические провода. 12 сентября Килби показал свое детище большим боссам корпорации. На прибор подали ток от батареи, и на экране осциллоскопа высветилась зеленоватая синусоида. Первая в мире интегральная схема продемонстрировала свою работоспособность.

«Восьмерка предателей»

Третий сын конгрегационалистского пастора, чей предок приплыл в Америку на легендарном «Мэйфлауэре», Роберт Нортон Нойс появился на свет 12 декабря 1927 года в маленьком даже сейчас, а тогда вовсе крошечном Берлингтоне в штате Айова. Детские увлечения авиамоделизмом и радиотехникой привели его в аспирантуру Массачусетского технологического института, где в 26 лет он защитил докторскую диссертацию по физике. Еще в колледже он увлекся транзисторами и поэтому, остепенившись, пришел в филадельфийскую компанию Philco, которая занималась ими весьма серьезно.

Подобно Килби, Нойс быстро сделал себе имя в твердотельной электронике. В начале 1956 года его пригласил к себе в фирму Уильям Шокли, покинувший Bell Laboratories, чтобы заняться полупроводниковыми приборами, и Нойс перебрался в Калифорнию, в городок Маунтин-Вью, расположенный южнее Сан-Франциско в долине Санта-Клара, которую лет через 15 стали называть Кремниевой долиной. Впрочем, он там не задержался. Шокли оказался плохим менеджером и буквально распугал лучших сотрудников. В результате в 1957 году Нойс и еще семеро молодых талантов ушли на вольные хлеба и при финансовой поддержке промышленника и изобретателя Шермана Фэйрчальда основали компанию Fairchild Semiconductor Corporation. В «восьмерку предателей», как обозвал их Шокли, входили физико-химик Гордон Мур (да-да, тот самый, который позднее придумал «закон Мура») и родившийся в Швейцарии физик Жан Эрни. С него-то и началась цепочка технологических нововведений, которая привела Нойса к изобретению интегральной микросхемы.

Поверх краски

Молодая компания производила транзисторы новейшим по тем временам методом диффузии легирующих примесей. При всех его достоинствах доля отбракованных из-за загрязнений изделий достигала 90%. Эрни предложил защищать кремниевые матрицы от повреждения с помощью тонкой пленки диоксида кремния. В процессе изготовления транзистора пленку зачищали в зонах диффузии, а затем для сохранения изоляции восстанавливали. Адвокат фирмы Джон Раллс усмотрел перспективность этой идеи и попросил составить патентную заявку с расчетом на возможность более широких приложений. Раллс не ошибся — метод Эрни лег в основу целого семейства полупроводниковых технологий, известных как планарные процессы.

Эти приложения и начал обдумывать Нойс, возглавивший исследовательский отдел фирмы. Тут-то он и догадался, что на оксидную пленку можно нанести тонкие полоски меди или иного металла, которые соединят транзисторы, конденсаторы и прочие элементы электронной схемы. А отсюда уже было недалеко до мысли, что и сами эти элементы можно встроить в кремниевую матрицу с помощью избирательного легирования. Сходная идея шестью месяцами ранее осенила и Килби, но Нойс пришел к ней другой дорогой. И оба пути пересеклись на рождении микрочипа.

Нойс регулярно обсуждал свои прозрения с Муром, который принимал их без особых возражений. 23 января 1959 года он описал свое изобретение на четырех страницах лабораторного журнала. Так родилась калифорнийская версия интегральной схемы — в отличие от техасской пока всего лишь на бумаге.

Тем временем в Далласе

Еще в сентябре 1958 года Килби и его помощники изготовили новым методом другой электронный прибор, полупроводниковый триггер. Тем не менее руководство Texas Instruments не пропагандировало новое изобретение и не планировало его использование. Более того, компания не спешила и с патентной заявкой.

Однако 28 января 1959 года в Далласе зашевелились: прошел слух, что конкурирующая фирма RCA разработала собственный микрочип и вот-вот его запатентует. Информация оказалась ложной, но вызвала беспокойство. Корпорация обратилась к вашингтонской юридической фирме Stevens Davis Miller & Mosher, специализирующей на патентных делах, и поручила ей как можно быстрее оформить права на изобретение Килби. Ввиду особой важности дела им занялся сам Эллсворт Мошер, авторитетнейший юрист-патентовед. Для подготовки документации он потребовал монтажную схему микрочипа. Килби к этому времени уже осознал, что от внешней электропроводки необходимо избавиться, и приступил к разработке аналога планарного процесса (уже изобретенного Жаном Эрни). Тем не менее в качестве иллюстрации к патентной заявке Килби представил схему одного из первых чипов с навесными проводами из золота. Правда, он отметил, что проводящие цепи можно непосредственно накладывать на изолирующее покрытие, но на этом и остановился. 6 февраля Бюро патентов зарегистрировало заявку Килби.

Патентные войны

Этой вроде бы маловажной детали была суждена главная роль в патентной битве между Далласом и Кремниевой долиной. Fairchild Semiconductor Corporation в начале 1959 года выпустила в продажу свой первый оригинальный продукт — транзистор, изготовленный методом двойной диффузии. Интегральную схему Нойс оставил про запас — тогда ему казалось, что причин для спешки нет. Однако в начале марта он и его коллеги узнали, что корпорация Texas Instruments вскоре объявит о разработке интегрированных твердотельных схем. Так и произошло — изобретение Килби было продемонстрировано 24 марта в Нью-Йорке во время съезда Института радиоинженеров. К этому времени инженеры фирмы Texas Instruments изготовили ряд интегральных схем без навесных проводов, которые и были представлены на ее стенде. Хотя более подготовленной публики нельзя было и желать, новинка, как ни странно, никого особенно не заинтересовала. Даже профессиональный журнал Electronics упомянул о ней лишь через две недели, причем в одном-единственном абзаце.

Однако в Калифорнии мгновенно почувствовали, что Fairchild Semiconductor реально угрожает потеря приоритета. Нойс прекрасно понимал, что его заявка должна существенно отличаться от заявки конкурентов. Поэтому они с Раллсом особо подчеркнули, что изобретение Нойса делает излишним применение внешней проводки. Содержания заявки Килби они не знали (Бюро патентов США не раскрывает сведений на стадии рассмотрения документов), однако Нойс имел основания предполагать, что по этой части его фирма опередила техасских конкурентов.

Далее последовала судебная битва, растянувшаяся на десять лет. Юристы обеих сторон проявляли изощренное хитроумие, и в конце концов победа осталась за Нойсом. 6 ноября 1969 года апелляционный суд по делам патентов и таможенных сборов признал его единственным изобретателем микрочипа. Мошер апеллировал к Верховному суду США, но его петиция была отклонена.

Самое интересное, что решение суда практически ничего не изменило. И профессионалы, и политики, и публика уже прекрасно знали, что это великое изобретение имеет двух полноправных авторов. Оба получили за него National Medal of Science (Килби в 1969 году, Нойс — в 1979-м) и National Medal of Technology (соответственно в 1990 и 1987 годах). Более того, ничуть не пострадали и финансовые интересы обеих фирм. Еще в 1966 году Texas Instruments и Fairchild Semiconductor признали друг за другом равные права на интегральную схему (остальные фирмы, пожелавшие производить микрочипы, должны были покупать у них лицензии). Так что, по сути, многолетняя тяжба оказалась никому не нужна.

От ракет до калькулятора

Интегральные схемы были запущены в серийное производство в начале 1961 года, когда для этого появилась технологическая база. Первой их выпустила в продажу (в шести вариантах) фирма Fairchild под именем микрологических элементов. Через несколько недель на рынке появились и микрочипы от Texas Instruments — по терминологии корпорации, твердотельные цепи. Стоили они очень дорого (поначалу более $100) и потому для бытовой электроники никак не годились. Первые три года их закупали только федеральные ведомства, преимущественно Пентагон и NASA. Микрочипы стали основой электроники межконтинентальных ракет MinutemanII, запускаемых с подводных лодок баллистических ракет Polaris А2 и А3, бортовой авионики новых боевых самолетов — впрочем, всего не перечесть. В ноябре 1963 года был запущен спутник Explorer-18 — первый космический аппарат, начиненный микрочипами. В том году в США было продано полмиллиона интегральных схем, спустя год — уже два миллиона. Благодаря возросшим объемам производства средняя цена микрочипа в 1964 году снизилась до 18 долларов 50 центов. Стоит вспомнить, что тогдашние наиболее совершенные интегральные схемы содержали не больше шести десятков компонентов.

Тогда же, в 1964 году, микрочипы начали использовать и в бытовой электронике — они дебютировали в слуховом аппарате Arcadia фирмы Zenith Radio Corporation. Но их подлинный триумф состоялся весной 1971 года, когда Texas Instruments выпустила в продажу первый в мире электронный калькулятор Pocketronic (интересно, что он появился в магазинах 14 апреля, как раз накануне официальной даты представления налоговых деклараций). Команда Килби разработала его четырьмя годами ранее — столь значительная задержка опять-таки была обусловлена трудностями массового производства. Стоила эта игрушка $150, весила больше килограмма, печатала результаты на термочувствительной бумаге (дисплея не было вовсе) и к тому же была обучена только четырем действиям арифметики. Тем не менее Pocketronic имел колоссальный успех — уже в 1972 году объем его продаж достиг пяти миллионов. А в ноябре того же 1971 года фирма Intel Corporation, созданная покинувшими корпорацию Fairchild Нойсом и Муром, представила первый в мире универсальный микропроцессор, знаменитый Intel 4004, начав новую — компьютерную — эру в истории человеческой цивилизации.

При разработке двигателя (как и всех остальных узлов), проектировщики всегда идут на компромисс между себестоимостью, экономичностью, ресурсом двигателя и токсичностью выхлопа.

Всем известно, что чем больше форсируют двигатель, тем меньше у него ресурс. Еще, чем выше форсировка, тем лучше должно быть качество топлива. Водители же хотят высокой мощности, крутящего момента и при этом надёжности и огромного ресурса, с маленьким расходом, и дешёвым топливом. Если мы один параметр меняем в лучшую сторону, то другой неизменно меняется в худшую. Сотворить с мотором можно многое, однако стоимость многих радикальных переделок зачастую оказывается просто ошеломляющей. Намного проще купить более мощный мотор. Но если Вы всё же решились на доводку силового агрегата, запомните, что получить более высокую отдачу от мотора можно лишь увеличив наполнение цилиндров и изменив состав смеси. Методов увеличения наполнения существует множество.

Их можно разделить на несколько категорий:

*Уменьшение сопротивления потоку воздуха - Замена воздушного фильтра, замена или увеличение корпуса дроссельной заслонки, замена или расточка и шлифовка впускного коллектора, переделка головки блока (замена клапанов на клапана с большим диаметром и расточка воздушных каналов), установка или оптимизация работы турбины. Можно установить распредвал с другим профилем кулачков - для изменения величины и продолжительности открытия клапанов.

*Оптимизация состава рабочей смеси: Увеличение магистрального давления топлива заменой или настройкой регулятора давления топлива и изменение программы работы ЭБУ (чип-тюнинг).

*Механизм изменения фаз ГРМ - оптимизация фаз газораспределения для различной частоты вращения двигателя.

*Оптимизация выпуска - Улучшение продувки цилиндров снижением сопротивления выпускного коллектора и глушителя (в идеале следует поставить трубу большого диаметра и причём без изгибов).

Не будем касаться Доработки самого агрегата (которая, в случае новой машины лишает гарантии).

Так что же можно сделать с двигателем без особых затрат и не боясь потерять гарантию? Ответ тут один - чип-тюнинг. В любой блок управления заложена программа его работы. Набор поправочных коэффициентов для различных режимов работы двигателя заложен в ПЗУ блока. Блок управления, получая сигналы от различных датчиков, управляет работой силового агрегата. Необходимые параметры для управления исполнительными устройствами вычисляются в соответствии с приходящими данными и набором коэффициентов коррекции, заложенных в Компьютер. Таким образом, желая изменить работу двигателя, не изменяя механических его составляющих, мы имеем для этого два пути:

Первый - изменение входящих сигналов (для примера - изменение жёсткости возвратной пружины заслонки расходомера воздуха).

Второй - изменение коэффициентов коррекции в памяти Компьютера (чип-тюнинг).

Прописывая новые параметры в Компьютер, мы можем влиять на работы любого устройства, управляемого ЭБУ. Для получения других мощностных характеристик мы можем изменить установку угла опережения зажигания, величину времени впрыска, отключить или изменить режим работы систем, контролирующих токсичность выхлопных газов, для двигателей с компрессором можно изменить величину давления наддува. Кроме того, мы можем изменить обороты холостого хода. Снимать электронные ограничения с коробок, двигателя.

Итак, сколько же мы получим с этого лошадок? 10-15%, в случаях с турбинами этот показатель может достигать 20%

Каждый сам решает делать или нет, но тот, кто хоть раз проехал на чипованой машине, решает этот вопрос для себя однозначно - да! Дело в том, что мало кто ездит на режиме максимальной мощности - намного более важные параметры для повседневной езды это крутящий момент и эластичность двигателя. Равные величины момента достигаются на разных оборотах двигателя. Что это означает: При резком нажатии на педаль акселератора на чипованом автомобиле, подхват двигателя произойдёт на более низких оборотах. То есть зачастую Вам просто не нужно будет переключаться на пониженную передачу, а, переключившись вниз вы получите ещё большую интенсивность разгона. Следует особо отметить, что в природе существуют машины с компами, которые сами прошиваются на ходу. Например, если вы ездите 2-3 дня на машине давя газ в пол, то она прошивается под ваш стиль езды, и у вас появляется большая тяга на низах. А если вы поездите 2-3 дня чуть-чуть притапливая ГАЗ, то машина начинает настраивать двигатель на максимальную экономию и соответственно тяга уменьшается. Такие Мозги прошивке не подлежат, так как данные постоянно меняются. В данном случае вы просто потратите денег.

P.S.: Большинство прошивок, доступных в Интернете "сырые", и некорректно работают, так что решать вам стоит ли это делать.

У современных автомобилей, практически у всех ключ зажигания не обычный, это так называемый чип – ключ. Что это такое , как поменять в нем . Недавно ком не на блог пришло очень интересное письмо, пересказывать не буду, но человек спрашивает – как работает чип ключ? Вопрос мне показался интересным и я решил написать на эту тему статью …

Действительно снаружи на ключе нет никаких плат, ни контактных групп и так далее, чтобы прикладывать его к какому – либо считывателю на автомобиле. Есть сам ключ, который вставляется замочную скважину, но это не контактная группа! Так какой же принцип работы?

Если вдаваться в технические подробности …

Замок зажигания автомобиля имеет определенную рамку, которая связана напрямую с блоком иммобилайзера. При включении зажигания блок подает импульс в эту рамку и переходит в режим считывания, то есть начинает слушать отклик от чип – ключа. В свою очередь (от импульса), чип – ключ заряжается и начинает передавать вшитый в него код, передает на эту рамку иммобилайзера. Рамка иммобилайзера принимает код, и если все нормально дает возможность запустить двигатель.

Если просто …

Представить работу очень легко. Наверное у всех (или у многих) есть домофоны на подъездах. Мы подходим подносим специальный брелок, домофон его считывает и открывает дверь. Это утрированный пример чип-ключа и иммобилайзера автомобиля.

Нужно отметить, что без этого чип-ключа автомобиль не запуститься иммобилайзер не позволит! Он блокирует различные функции автомобиля:

— у некоторых автомобилей иммобилайзер стоит в самом замке зажигания и блокирует различные функции именно в замке.

— у других иммобилайзер встроен в приборную доску и размыкает те или иные цепи автомобиля (например цепь бензонасоса)

— у третьих блок иимобилайзера находится в подкапотном пространстве, и при помощи усилителей может блокировать и замок и цепи одновременно.

Как видите устройство и принцип работы чип-ключа вроде простое, но эффективное. Однако сейчас многие сигнализации с автозапуском отключают штатный иммобилайзер (в частности при помощи дополнительного ключа который помещается в панель автомобиля), делать этого лично я не рекомендую. Потому как автомобиль становится более легкой добычей для угонщиков.

А сейчас небольшая видео версия статьи

Справедливые, не завышенные и не заниженные. На сайте Сервиса должны быть цены. Обязательно! без "звездочек", понятно и подробно, где это технически возможно - максимально точные, итоговые.

При наличии запчастей до 85% процентов сложных ремонтов можно завершить за 1-2 дня. На модульный ремонт нужно намного меньше времени. На сайте указана примерная продолжительность любого ремонта.

Гарантия и ответственность

Гарантию должны давать на любой ремонт. На сайте и в документах все описано. Гарантия это уверенность в своих силах и уважение к вам. Гарантия в 3-6 месяцев - это хорошо и достаточно. Она нужна для проверки качества и скрытых дефектов, которые нельзя обнаружить сразу. Видите честные и реальные сроки (не 3 года), вы можете быть уверены, что вам помогут.

Половина успеха в ремонте Apple - это качество и надежность запчастей, поэтому хороший сервис работает с поставщиками на прямую, всегда есть несколько надежных каналов и свой склад с проверенными запчастями актуальных моделей, чтобы вам не пришлось тратить лишнее время.

Бесплатная диагностика

Это очень важно и уже стало правилом хорошего тона для сервисного центра. Диагностика - самая сложная и важная часть ремонта, но вы не должны платить за нее ни копейки, даже если вы не ремонтируете устройство по ее итогам.

Ремонт в сервисе и доставка

Хороший сервис ценит ваше время, поэтому предлагает бесплатную доставку. И по этой же причине ремонт выполняется только в мастерской сервисного центра: правильно и по технологии можно сделать только на подготовленном месте.

Удобный график

Если Сервис работает для вас, а не для себя, то он открыт всегда! абсолютно. График должен быть удобным, чтобы успеть до и после работы. Хороший сервис работает и в выходные, и в праздники. Мы ждем вас и работаем над вашими устройствами каждый день: 9:00 - 21:00

Репутация профессионалов складывается из нескольких пунктов

Возраст и опыт компании

Надежный и опытный сервис знают давно.
Если компания на рынке уже много лет, и она успела зарекомендовать себя как эксперта, к ней обращаются, о ней пишут, ее рекомендуют. Мы знаем о чем говорим, так как 98% поступающих устройств в СЦ восстанавливется.
Нам доверяют и передают сложные случаи другие сервисные центры.

Сколько мастеров по направлениям

Если вас всегда ждет несколько инженеров по каждому виду техники, можете быть уверены:
1. очереди не будет (или она будет минимальной) - вашим устройством займутся сразу.
2. вы отдаете в ремонт Macbook эксперту именно в области ремонтов Mac. Он знает все секреты этих устройств

Техническая грамотность

Если вы задаете вопрос, специалист должен на него ответить максимально точно.
Чтобы вы представляли, что именно вам нужно.
Проблему постараются решить. В большинстве случаев по описанию можно понять, что случилось и как устранить неисправность.

Сегодня практически у каждого есть телефон, плеер, компьютер, планшет или что-то ещё, что, так или иначе, содержит в себе интегральные микросхемы или чипы. Мы давно привыкли к этим вещам и часто даже не задумываемся над тем, сколько труда и инженерной мысли было вложено в создание одного такого чипа, первого тестового образца, чтобы затем конвейер и роботизированные системы размножили его в десятки, сотни тысяч и даже миллионы копий. В данной статье я расскажу о том, какой нелёгкий путь прошла индустрия производства микропроцессоров, как ей удалось выжить и какие основные этапы проходит обычный кварцевый песок , чтобы однажды превратиться в кремниевое сердце вашего ipad, видеокарты или мобильного телефона.

Для тех школьников, которые хотят глубже научиться разбираться с чудесами современной техники, идет олимпиада .

Краткая история экономики в экономике

Не знать истории — значит всегда быть ребенком.
Цицерон

20 век в сознании человечества останется одним из выдающихся столетий. Это век повсеместного внедрения электричества, грандиозных открытий, кровопролитных войн, беспрецедентных переворотов в промышленности и, конечно же, век, подготовившей человечество к переходу в информационное общество, со всеми его плюсами и минусами. Основой этого общества является очень простое устройство - транзистор, который позволяет усиливать, генерировать и преобразовывать электрические сигналы.

В 1928 году Юлий Эдгар Лилиенфельд в Германии зарегистрировал патент на принцип работы полевого транзистора, а уже в 1934 годунемецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор , однако MOS (металл-оксид-полупроводник) транзистор был изготовлен лишь в 1960 году. Во время Второй Мировой Войны возникла острая потребность в использовании быстрых счётных машин, которые могли бы шифровать и дешифровать приказы, отправляемые в войска, а также, что гораздо важнее, дешифровать и подбирать ключи к директивам противника (ярким примером может служить британский «Колосс» ). А в послевоенные годы работы над различными элементами электронных машин продолжились, и 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, за что в 1956 годуполучили Нобелевскую премию по физики «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» . Конечно, полевые транзисторы работают на гораздо более простых физических принципах (напряжение, подаваемое на затвор, либо позволяет течь току, либо нет), однако изготовить такой полевой транзистор куда сложнее, чем биполярный (потребовались годы на разработку теории работы такого устройства), что и обусловило первенство последних в материальном исполнении.

Копия первого в мире работающего транзистора

Дальнейшее изобретение интегральных схем (1958 год Джек Килби и Роберт Нойс) фактически предопределило развитие индустрии микроэлектроники. Через несколько лет, Гордон Мур, подготавливая своё очередное выступление в качестве главы департамента R&D (исследований и разработок) компании Fairchild Semiconductor, заметил интересный эмпирический факт: количество транзисторов в кристалле микропроцессора удваивается каждые два года . В июле 1968 года Мур с Робертом Нойсом покинули, созданную ими компанию Fairchild Semiconductors, и основали корпорацию Intel, которая стала одним из титанов современной микропроцессорной промышленности.

Закон, а точнее эмпирическое правило, Мура, в которое сегодня приходится вносить коррективы

Строго говоря, закон Мура не является законом, это всего лишь эмпирическое наблюдение, в которое мы периодически должны вносить изменения и дополнения, которые будут описывать современное положение отрасли.

В течение очень короткого промежутка времени, за какие-то 20-30 лет, микропроцессоры и индустрия их производства (очистка кварцевого песка, выращивание монокристаллического кремния, создание процессоров в чистых комнатах и т.д.) стали своего рода экономикой в экономике. Помимо общеизвестного закона Мура, существует ещё одно наблюдение: стоимость фабрик для производства микрочипов растёт экспоненциально при усложнении производимых микросхем. Возьмём простой пример: фабрика Intel, изготавливающая чипы по техпроцессу 45 нм (т.е. размер одного транзистора составляет 45 нм) стоит примерно 4 млрд. $. Аналогичная фабрика, но работающая по техпроцессу 32 нм будет стоить уже 5,5 млрд. $ . При этом одна фабрика должна окупиться в среднем за 3-4 года. Для сравнения рыночная стоимость самой компании Intel в 2008 году была 128 млрд. $ .

Компании, обладающие технологиями производства микрочипов по соответствующим техпроцессам

Как создать микрочип. Теория

Большинство теорий — лишь перевод старых мыслей на новую терминологию.
Григорий Ландау

Как мы уже поняли, транзисторы бывают двух основных видов: полевые и биполярные. На сегодняшний день биполярные транзисторы уступили своё место полевым транзисторам. Так как устроен полевой транзистор?!

Полевой транзистор состоит из 3 основных элементов: стока (drain ), истока (source ) и затвора (gate ). Металлический затвор отделён от токопроводящего канала между истоком и стоком с помощью, так называемого, high-k материала (или материала с высокой диэлектрической проницаемостью). Данный материал позволяет, во-первых, надёжно изолировать затвор от канала, по которому течёт ток, а, во-вторых, уменьшить геометрические размеры отдельного элемента микрочипа. В качестве такого материала на сегодняшний день используют оксид или силицид гафния, а также соединения на их основе.

Принцип работы полевого транзистора заключается в создании некоторой разности потенциалов между затвором и кремниевым монокристаллом, в зависимости от знака подаваемого напряжения ток между стоком и истоком либо течёт, либо нет, т.е. электроны с истока под действием электрического поля затвора отклоняются и не достигают стока. Именно это и является основой того, что мы привыкли именовать микроэлектроникой.

Слева - принципиальная схема устройства полевого транзистора, справа - микрофотография среза полевого транзистора, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Следующий вопрос, который каждый читатель захочет задать: как создать слои, толщиной 3 нм, «наклеить» стоки, истоки и затворы, чтобы, в конечном счёте, получить микропроцессор? Эта процедура состоит из нескольких этапов. Первый этап заключается в особой подготовке кварцевого песка - его восстановлении коксом в дуговых печах, где тысячи ампер электрического тока разогревают окружающее пространство до температуры около 1800°C, в результате чего образуется, так называемый, технический кремний:

3SiCl 4 + 2H 2 + Si = 4SiHCl 3

Пройдя ещё несколько стадий, мы получаем высокочистый кремний, очищенный от посторонних примесей и содержащий всего 1 чужеродный атом на миллиарды атомов кремния:

2SiHCl 3 = SiH 2 Cl 2 + SiCl 4

2SiH 2 Cl 2 = SiH 3 Cl + SiHCl 3

2SiH 3 Cl = SiH 4 + SiH 2 Cl 2

SiH 4 = Si + 2H 2

После такой очистки кремний плавят в специальных печах, а затем выращивают огромный монокристалл по методу Чохральского , вытягивая его из расплава со скоростью несколько миллиметров в минуту. Получившуюся колонну весом более 100 кг распиливают на тысячи тонких (толщиной всего 1 мм) пластин - «вафлей». Далее каждую такую вафлю полируют до зеркального блеска, и лишь потом приступают к формированию десятков и сотен чипов на подложке с помощью процесса литографии.

Слева - принципиальная схема литографического процесса, справа - длина волны используемого лазера и характерный размер транзистора.

Непосредственно перед началом литографического процесса на вафле формируют тонкий слой оксида, и посредством магнетронного распыления при высокой температуре наносят ещё более тонкий слой high k материала. Далее на подложку при вращении капают небольшое количество фоточувствительного полимера, который формирует очередной тонкий слой на поверхности. Такой полимер способен менять свои свойства под действием ультрафиолетового излучения. Затем «вафлю» помещают под специальную систему линз, за которой находится фотомаска и источник лазерного УФ-излучения. Теперь роботизированная система проходит сотни раз по подложке и оставляет на ней «отпечатки». После окончания данного процесса вафля помещается в растворитель, под действием которого засвеченные области полимера растворяются и удаляются с пластины. Таким образом, на подложке формируется трёхмерный рельеф, «впадины» в таком рельефе заполняют определёнными веществами, а литографический процесс (т.е. экспонирование пластины под лазерным пучком) повторяется ещё несколько десятков раз. Всего чтобы «напечатать» чип требуется несколько сотен различных технологических стадий, большинство из которых проводят в суперчистых комнатах.

Итак, слой за слоем на одной из сторон «вафли» возникает превосходная трехмерная композиция из медных проводников и транзисторов, которая через небольшой период времени будет вырезана из «вафли» и станет сердцем компьютера.

Когда слой за слоем сформированы отдельные элементы транзистора, наступает очередь «вырастить» контакты

До не давнего времени литографический процесс был прост, так как длина волны излучения была меньше или сопоставима с размерами отдельных «печатаемых» элементов на подложке. На рубеже 21 века ведущий компании-производители микропроцессоров перешагнули через так называемый дифракционный предел, т.е. с помощью лазера с длинной волны 248 нм стали производить чипы, отдельные элементы которых имели всего-навсего 190, 130, 90 нм, что было бы немыслимо при использовании классической оптики. Соответственно, были разработаны и внедрены инновационные подходы к конструированию масок (например, так называемые, маски со сдвигом фазы), стали использовать вычислительную мощь компьютеров для проектирования микрочипов и учёта волновой природы света. Например, мы хотим напечатать элемент в виде двух сочленённых букв Т и просим компьютер нам помочь. То, что нарисует компьютер, будет слегка отличаться от того, что мы задумали. Но структура маски будет отличаться ещё больше, а напечатанная структура на подложке едва будет напоминать задуманную. Но что поделать, мы работаем на грани человеческих возможностей и уже несколько раз обманули природу и волновые свойства света.

Слева - отличие обычной маски от маски, использующей фазовый сдвиг, справа - яркий пример геометрического несоответствия между желаемым и реально получаемым рисунком на подложке

«Там внизу много места». Практика

Нельзя иметь верного понятия о том, что не испытано.
Вольтер Франсуа Мари Аруэ

Года 3-4 назад судьба распорядилась так, что в руки мне попал ноутбук Asus G2S. Счастье моё длилось ровно до прошлой зимы, когда ни с того, ни с сего на экране стали появляться артефакты (различные искажения изображения), особенно при запуске игрушек или «мощных» приложений, активно работающих с видеочипом. В результате оказалось, что проблема именно в нём. Nvidia для практически всей геймерской линейки G2 поставляла видеочипы с браком (отслоение контактов между самим кристаллом и подложкой), который обнаруживался лишь через пару лет интенсивной работы. Решение было однозначным - замена видеочипа. Но что делать со старым?! Ответ на этот вопрос пришёл на редкость быстро… Через день старенький видеочип лежал под алмазным кругом микротома (прибора для тонкой резки материалов и образцов).

О пользе полировки

К моему глубокому сожалению микротом разрезал чип довольно грубо, хотя и без заменых сколов и трещин на самом кремниевом чипе. Поэтому далее пришлось долго и упорно шлифовать и полировать поверхность среза, чтобы она приняла нужный вид. Польза от полировки видна невооружённым взглядом, точнее вооружённым, но только оптическим микроскопом:

Слева фотографии до полировки, справа - после. Верхний ряд фотографий - увеличение 50x, нижний - 100x

После полировки (фотографии справа) уже на увеличении 50x видны медные контакты, соединяющие отдельные структуры чипа. До полировки, они, конечно же, тоже проглядывают сквозь пыль и крошку, образовавшуюся после резки, но разглядеть отдельные контакты вряд ли удастся.

Электронная микроскопия

Оптическая микроскопия даёт 100-200 крат увеличения, однако это не идёт ни в какое сравнение с 100 000 или даже 1 000 000 крат увеличения, которое может выдать электронный микроскоп (теоретически для ПЭМ разрешение составляет десятые и даже сотые доли ангстрема, однако в силу некоторых реалий жизни такое разрешение не достигается). К тому же, чип изготовлен по техпроцессу 90 нм, и увидеть с помощью оптики отдельные элементы интегральной схемы довольно проблематично, опять-таки мешает дифракционный предел. А вот электроны вкупе с определёнными типами детектирования (например, SE2 - вторичные электроны) позволяют визуализировать разницу в химическом составе материала и, таким образом, заглянуть в самое кремниевое сердце нашего пациента, а именно узреть сток/исток, но об этом чуть ниже.

Печатная плата

Итак, приступим. Первое, что мы видим - печатная плата, на которой смонтирован сам кремниевый кристалл. К материнской плате ноутбука он крепится с помощью BGA пайки. BGA - Ball Grid Array - массив оловянных шариков диаметром около 500 мкм, размещённых определённым образом, которые выполняют ту же роль, что и ножки у процессора, т.е. обеспечивают связь электронных компонентов материнской платы и микрочипа. Конечно, никто вручную не расставляет эти шарики на плате из текстолита, это делает специальная машина, которая перекатывает шарики по «маске» с дырочками, соответствующего размера.

BGA пайка

Сама плата выполнена из текстолита и имеет 8 слоёв из меди, которые связаны определённым образом друг с другом. На такую подложку монтируется кристалл с помощью некоторого аналога BGA, давайте назовём его «mini»-BGA. Это те же шарики из олова, которые соединяют маленький кусочек кремния с печатной платой, только диаметр этих шариков гораздо меньше, меньше 100 мкм, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.

Сравнение BGA и mini-BGA пайки (на каждой микрофотографии снизу обычный BGA, сверху - “mini”BGA)

Для повышения прочности печатной платы, её армируют стекловолокном. Эти волокна хорошо видны на микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Текстолит - настоящий композитный материал, состоящий из матрицы и армирующего волокна

Пространство между кристаллом и печатной платой заполнено множеством «шариков», которые, по всей видимости, служат для теплоотвода и препятствуют смещению кристалла со своего «правильного» положения.

Множество шарообразных частиц заполняют пространство между чипом и печатной платой

Элемент обвязки. SMD-компоненты

Вся прелесть использования микротома в том, что в отличие от прочих режущих инструментов, он позволил аккуратно разрезать один из элементов обвязки, который, судя по слоистой структуре, является SMD (Surface-mount device, т.е. устройство, которое монтируется непосредствено на поверхность печатной платы) твердотельным конденсатором. Как оптическая, так и электронная микроскопия показали одинаково полосатый результат.

Отдельные логические элементы современной компьютерной техник

Еле заметная разница в контрасте на выше приведённой микрофотографии - это и есть те самые стоки/истоки, которые помогают нам с Вами работать за компьютером, играть в компьютерные игры, смотреть фильмы, слушать музыку и т.д. Размер структур составляет, по моим подсчётам, около 114 нм, учитывая ~10% в шкале и расчётах, а также особенности литографии, эта цифра очень хорошо согласуется с заявленным техпроцессом. Теперь мы можем спать спокойно, зная, что такие гиганты, как Intel, Nvidia, AMD действительно производят микрочипы, в которых отдельные элементы могут быть и 90, и 60, и 45, и даже 32 нм.

Внутреннее устройство микрочипа Nvidia 8600M GT

Заключение

Многое из увиденного внутри видеочипа меня поразило. Твердотельный конденсатор в разрезе - это просто потрясающе. Конечно, публикации от Intel, фото, найденные в Интернете с помощью поисковиков, красивые картинки и анимация - отличная вещь, позволяющая быстро получить требуемую информацию и знание. Однако когда лично ты разрезаешь чип, изучаешь его, не отрываясь от экрана монитора часами, и видишь, что техпроцесс действительно 90 нм, что кто-то смог создать, просчитать всю эту конструкцию до мельчайших деталей, то в этот момент чувствуешь радость и гордость за человечество, которое создало такой совершенный продукт.

Компьютерная техника, так или иначе, развивается на протяжении последних 60-70 лет. За это время она преодолела тяжёлый путь от военных компьютеров размером с дом до ipad, от перфокарт до windows 7. Эта индустрия сама создала для себя рынок и целую эпоху - информационную эру. На сегодняшний день индустрия информационных технологий (не только производства компьютерных комплектующих) - один из самых быстроразвивающихся сегментов мировой экономики.

Нет никаких сомнений, что информационный век, в который мы уже вступили, подтолкнёт развитие компьютерной техники, ускорит темпы инноваций и внедрения всё более совершенных технологий. В скором будущем нас ждёт переход от кремния к углероду, как основы вычислительной техники, от электронов к фотонам, как переносчика информации. Всё это позволит в несколько раз снизить вес устройств, многократно увеличить производительность, разработать новые встраиваемые системы и полностью погрузить человека в цифровой мир с его достоинствами и недостатками.