В 1956 году Шокли покинул Bell Labs, чтобы основать компанию Shockley Semiconductor Laboratories. Он переехал в Пало-Альто (Калифорния), где вырос. Его компания стала первым местным предприятием, работающим в данном направлении. Со временем в этой местности появились другие полупроводниковые и компьютерные компании, а область к югу от Сан-Франциско теперь неофициально называется Кремниевой долиной.
Вакуумные лампы изначально разрабатывались для применения в усилителях, однако их также можно было использовать в качестве переключателей в логических вентилях. То же самое касается транзистора. На следующем рисунке изображен вентиль И на основе транзисторов, структура которого напоминает версию с реле. Только когда входы A и B равны логической единице, то есть на базу подается положительное напряжение, оба транзистора проводят ток, а выход равен 1. Резистор при этом предотвращает короткое замыкание.
Соединив два транзистора так, как показано на схеме справа, вы получите вентиль ИЛИ. В вентиле И эмиттер верхнего транзистора соединен с коллектором нижнего. В вентиле ИЛИ коллекторы обоих транзисторов подключены к источнику питания. Эмиттеры соединены между собой.
Как видите, все, что мы узнали о создании логических вентилей и других компонентов из реле, справедливо и для транзисторов. Реле, лампы и транзисторы изначально разрабатывались в основном для усилителей, однако из них можно собрать логические вентили для компьютеров. Первые транзисторные компьютеры были созданы в 1956 году, и спустя несколько лет лампы перестали применяться.
Транзисторы, безусловно, делают компьютеры более надежными, компактными и экономичными. Но облегчают ли они процесс сборки?
На самом деле нет. Разумеется, транзистор позволяет уместить больше логических вентилей в меньшем пространстве, однако вам по-прежнему придется беспокоиться о соединении всех этих компонентов. Соединить транзисторы в логические вентили так же сложно, как реле и вакуумные лампы. Этот процесс усложняется еще и меньшим размером, а также тем, что транзисторы труднее держать. Если бы вы решили собрать компьютер, описанный в главе 17, и массив RAM емкостью 64 килобайт из транзисторов, то большая часть времени на этапе проектирования была бы потрачена на разработку некой структуры, где бы крепились все компоненты. Основной физический труд сводился бы к утомительному соединению миллионов транзисторов.
Как мы уже выяснили, существуют определенные комбинации часто встречающихся транзисторов. Пары транзисторов почти всегда соединены в вентили. Из вентилей часто собираются триггеры, сумматоры, селекторы или дешифраторы. Триггеры объединяются в многобитные защелки или массивы RAM. Собрать компьютер было бы проще, если бы транзисторы были предварительно объединены в распространенные конфигурации.
Эту идею, по-видимому, впервые предложил британский физик Джеффри Даммер, который в ходе выступления в мае 1952 года сказал: «Я хотел бы заглянуть в будущее. С появлением транзистора и работ по полупроводникам в целом сегодня, по-видимому, можно ставить вопрос о создании электронного оборудования в виде твердого блока без каких-либо соединительных проводов. Этот блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, преобразующих сигнал из переменного в постоянный и усиливающих сигнал материалов. Задание электронных функций компонентов и их соединение должным образом может быть выполнено путем вырезания участков отдельных слоев».
Однако на создание работающего продукта ушло еще несколько лет.
Ничего не зная о прогнозе Даммера, в июле 1958 года Джек Килби из компании Texas Instruments подумал, что на одном кристалле кремния можно объединить несколько транзисторов, а также резисторы и другие электрические компоненты. Шесть месяцев спустя, в январе 1959 года, практически та же идея возникла у Роберта Нойса (1927–1990). Сначала Нойс работал в компании Shockley Semiconductor Laboratories, но в 1957 году он и еще семеро ученых покинули ее, чтобы основать корпорацию Fairchild Semiconductor Corporation.
В сфере технологий одновременное изобретение — довольно распространенное явление. Несмотря на то что Килби изобрел свое устройство за шесть месяцев до Нойса, а компания Texas Instruments подала заявку на патент раньше, чем Fairchild Semiconductor, Нойс получил патент первым. Последовавшие за этим судебные тяжбы завершились с устраивающим всех результатом только спустя десять лет. Несмотря на то что Килби и Нойс никогда не работали вместе, сегодня они считаются соавторами интегральной микросхемы (ИС), обычно называемой чипом.
Создание интегральных схем — сложный процесс, который предполагает наслаивание тонких пленок легированного кремния, протравленных в разных местах для образования микроскопических компонентов. Несмотря на то что разработка новой интегральной микросхемы предполагает большие затраты, массовое производство позволяет снизить цены: чем больше производится микросхем, тем дешевле они становятся.
Кремниевый чип очень тонкий и хрупкий, поэтому он должен быть надежно защищен корпусом, позволяющим в то же время соединить его компоненты с другими чипами. Чаще всего интегральные микросхемы помещаются в прямоугольный пластиковый корпус DIP (dual inline package, корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов) с 14, 16 или даже 40 выводами.
Вот чип с 16 выводами. Если вы возьмете его так, чтобы небольшая выемка находилась слева (как показано на рисунке), то выводы будут нумероваться с 1 по 16 против часовой стрелки, начиная с вывода в левом нижнем углу и заканчивая выводом в левом верхнем углу. Штырьки расположены на расстоянии 2,5 миллиметра друг от друга.
На протяжении 1960-х годов рынок интегральных микросхем развивался благодаря космической программе и гонке вооружений. Первым массовым коммерческим продуктом, включавшим интегральную микросхему, был слуховой аппарат, распространявшийся компанией Zenith в 1964 году. В 1971 году компания Texas Instruments начала продавать первый карманный калькулятор, а компания Pulsar — первые цифровые часы. (Очевидно, в цифровых часах корпус ИС отличается от того, что мы обсуждали в вышеприведенном примере.) Вслед за ними появилось множество других товаров, в конструкцию которых входили интегральные микросхемы.
В 1965 году Гордон Мур (в то время сотрудник компании Fairchild Semiconductor, а позднее соучредитель корпорации Intel) заметил, что технология развивается так, что начиная с 1959 года количество транзисторов, которые могут уместиться в одной микросхеме, ежегодно удваивается, и предсказал сохранение этой тенденции. Фактически такая технология развивалась немного медленнее, поэтому закон Мура (как он стал в конечном счете называться) был скорректирован и прогнозировал удвоение количества транзисторов в микросхеме каждые 18 месяцев. Это по-прежнему удивительно быстрое развитие, и закон Мура объясняет, почему домашние компьютеры устаревают всего за несколько лет.
На начальных этапах развития технологии о микросхемах, включающих в себя менее десяти логических вентилей, говорили как о схемах с малым уровнем интеграции. Схемы со средним уровнем интеграции (средние интегральные схемы, СИС) включали в себя от 10 до 100 вентилей, а схемы с высоким уровнем интеграции (большие интегральные схемы, БИС) — от 100 до 5000 вентилей. Затем были введены такие понятия, как сверхвысокий уровень интеграции (сверхбольшая интегральная схема, СБИС) — от 5 до 50 тысяч вентилей, суперсверхвысокий уровень интеграции — от 50 до 100 тысяч вентилей и ультравысокий уровень интеграции — более 100 тысяч вентилей.
Оставшуюся часть этой главы и всю следующую я предлагаю провести в середине 1970-х, в той древней эпохе, когда никто еще не слышал о фильме «Звездные войны», а схемы СБИС еще только маячили на горизонте. В то время для изготовления компонентов интегральных схем использовалось несколько различных технологий, каждая из которых определяет семейство ИС. К середине 1970-х годов преобладали семейства ТТЛ и КМОП.
Аббревиатура ТТЛ расшифровывается как транзисторно-транзисторная логика. Если бы в середине 1970-х вы работали инженером-разработчиком цифровых ИС (собирали из ИС более крупные схемы), то вашей настольной книгой был бы справочник по ТТЛ-микросхемам The TTL Data Book for Design Engineers, впервые опубликованный в 1973 году компанией Texas Instruments. Он содержал подробное описание интегральных микросхем ТТЛ серии 7400, продаваемых Texas Instruments и некоторыми другими компаниями, называемых так потому, что номер каждой ИС в этом семействе начинался с 74.
Каждая интегральная схема серии 7400 состоит из логических вентилей, сконфигурированных определенным образом. Некоторые микросхемы — простые логические вентили, из которых можно создать более крупные компоненты; другие — готовые компоненты: триггеры, сумматоры, селекторы и дешифраторы.
Первая ИС серии 7400, имеющая номер 7400, описана в справочнике The TTL Data Book как «счетверенная двухвходовая положительная схема И-НЕ». Это означает, что данная конкретная интегральная схема имеет четыре двухвходовых вентиля И-НЕ. Вентили И-НЕ называются положительными, поскольку наличие напряжения соответствует значению 1, а его отсутствие — значению 0. На следующем рисунке изображена микросхема с 14 выводами и показано, как эти выводы соотносятся со входами и выходами.
Диаграмма — это вид микросхемы сверху (выводы направлены вниз), при этом выемка в корпусе (упомянутая чуть ранее) расположена слева.
Вывод 14 обозначен символами VCC и эквивалентен символу V, который я использовал для обозначения напряжения. По традиции любой двойной подстрочный буквенный индекс рядом с буквой V — источник питания. Буква C в этом индексе — это вход коллектора транзистора, на который подается напряжение. Вывод 7 обозначен буквами GND, что значит «земля» (ground). Каждая интегральная микросхема, которую вы используете, должна быть подключена к источнику питания и земле.