donmigel_62: (кот - учёный)

55 лет интегральной микросхеме. История изобретения словами участников

6 февраля 1959 года, ровно 55 лет назад, Федеральное патентное ведомство США выдало патент на изобретение интегральной микросхемы компании Texas Instruments. Тем самым было официально признано рождение технологии, не будь которой, мы сегодня не имели бы под рукой подавляющего большинства привычных нам электронных приборов и связанных с ними возможностей.

первая
Идея интегральной микросхемы в конце 50-х, как говорится, носилась в воздухе. Уже был создан транзистор; стремительно развивавшаяся радио- и телевизионная схемотехника, не говоря уже о компьютерной, требовала поиска решений для миниатюризации; потребительский рынок нуждался в удешевлении аппаратуры. Идея выкинуть из схемы на полупроводниковых транзисторах и диодах всё лишнее – монтажные панели, провода, корпуса и изоляторы, собрав в один «кирпич» её суть – n-p переходы, неминуемо должна была прийти в голову кому-нибудь.

Так и случилось. Пришла. Причём, сразу нескольким талантливым инженерам, но лишь одного из них сегодня принято считать «отцом интегральной микросхемы» — Джека Килби, сотрудника Texas Instruments, удостоенного в 2000 году Нобелевской премии по физике за изобретение интегральной микросхемы. 24 июля 1958 года идея нового прибора была им записана в рабочий дневник, 12 сентября того же года он продемонстрировал работающий образец микросхемы, подготовил и подал заявку на патент, 6 февраля 1959 года получил патент.



патент килби
Справедливости ради, следует признать, что конструкция германиевой микросхемы Килби была практически не пригодна для промышленного освоения, чего нельзя сказать о разработанной Робертом Нойсом кремниевой планарной микросхеме.

нойс_исРоберт Нойс, работавший в компании Fairchald Semiconductor (он являлся и одним из основателей этой фирмы) практически одновременно и независимо от Килби разработал свой вариант конструкции интегральной микросхемы, запатентовал его и… вверг на 10 лет Texas Instruments и Fairchald Semiconductor в непрерывную патентную войну, завершившуюся 6 ноября 1969 года решением апелляционного суда США по делам патентов и таможенных сборов, согласно которого единственным изобретателем микросхемы должен считаться… Роберт Нойс! Верховный суд США подтвердил это решение.

Впрочем, еще до вынесения судебного вердикта, в 1966 году, обе компании договорились о признании друг за другом равных прав на интегральную микросхему, а оба изобретателя – Килби и Нойс были удостоены одинаковых высших наград научного и инженерного сообществ США: National Medal of Science и National Medal of Technology.

А ведь были и другие, кто гораздо раньше Килби и Нойса формулировали принцип конструкции и даже патентовали интегральную микросхему. Немецкий инженер Вернер Якоби в своем патенте 1949 года рисует конструкцию микросхемы из 5 транзисторов на общей подложке. 7 мая 1952 года английский радиоинженер Джеффри Даммер описал принцип интеграции компонентов схемы в единый блок в своём публичном выступлении на симпозиуме, посвящённом электронным компонентам в Вашингтоне (на этом симпозиуме, кстати, присутствовал и Джек Килби); в 1957-м он представил действующий образец первой в мире интегральной микросхемы-триггера на 4-х транзисторах. Спецы из военного ведомства Англии новинку не поняли и не оценили её потенциал. Работы закрыли. Впоследствии на родине Даммера назвали «пророком интегральной микросхемы», его приглашали участвовать во многих национальных и международных проектах по развитию электронных технологий.
джонсон
В США в октябре того же года Бернар Оливер подал заявку на патент, где описывал способ изготовления монолитного блока из трёх планарных транзисторов. 21 мая 1953 года инженер Харвик Джонсон подал заявку на несколько способов формирования разнообразных электронных компонентов схем в одном кристалле. Забавно, что один из вариантов, предложенных Джонсоном, 6 лет спустя был независимо реализован и запатентован Джеком Килби. Потрясающе!

Подробные биографии всех изобретателей интегральной микросхемы, описания событий и обстоятельств великого, не побоюсь так выразиться, изобретения сегодня легко может найти каждый желающий – всё это есть в Сети. Мне же, в день рождения микросхемы, хотелось бы «дать слово» всем троим: Джеффри Даммеру, Джеку Килби и Роберту Нойсу. В разное время в интервью они делились воспоминаниями «как это было», своими мыслями и переживаниями. Я выбрал некоторые высказывания, которые мне показались интересными...

Джеффри Даммер:
даммер«С появлением транзистора и работ по полупроводникам в целом, сегодня, по-видимому, можно ставить вопрос о создании электронного оборудования в виде твёрдого блока без каких-либо соединительных проводов. Этот блок может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих сигнал материалов. Задание электронных функций компонентов и их соединение должным образом может быть выполнено путём вырезания участков отдельных слоёв».
«В одной из своих книг я объяснил причину своей неудачи большой усталостью от бесконечных бюрократических войн, но, возможно, дело не только в этом. Факт в том, что никто не хотел рисковать. Военное министерство не будет заключать контракт на устройство, не доведенное до промышленного образца. Отдельные разработчики не захотели браться за неизвестное им дело. Это ситуация курицы и яйца. Американцы – финансовые авантюристы, а в этой стране (имеется в виду Англия – прим. авт.) всё происходит слишком медленно».










Джек Килби:
«После того, как транзистор вышел на сцену, вновь возродился интерес к тому, что некоторое время назад стали называть «миниатюризация». Она никогда не была самоцелью, но для огромного числа применений представлялось очень удобным собрать побольше компонентов в одном месте и упаковать их поплотнее. А тут ещё военно-морской флот начал проект по бесконтактным взрывателям. Им очень нужно было устройство, где все электронные компоненты собраны на пластине в квадратный дюйм, не более. Они уже потратили изрядное количество денег, но так и не получили желаемого… Транзистор решил все проблемы. В общем, и тогда и сейчас, если у вас есть новый продукт и он представляет интерес для военных, или вы можете так устроить, что он заинтересует военных, то вы, как правило, без проблем будете работать, потому что у вас будет финансирование. Это было справедливо и в те далёкие времена, это справедливо и сейчас…»

килби

«Главным мотивом работы над интегральной схемой было снижение издержек производства аппаратуры. Правда, я тогда не очень представлял себе масштабов возможного удешевления и то, насколько фактор дешевизны расширит поле применения электроники в совершенно различных областях. В 1958 году один кремниевый транзистор, который вдобавок не очень-то хорошо продавался, стоил около $10. Сегодня за $10 можно купить более 100 млн. транзисторов. Я такого не мог предвидеть. И уверен, никто не предполагал возможности такого».

калькулятор
«Разрабатывать первый микрокалькулятор (на фото) мы начали, чтобы расширить рынок интегральных микросхем – для них важен массовый рынок. Первые калькуляторы мы продавали по $500, сегодня они продаются по $4-5 и стали одноразовым продуктом. Это – к вопросу об удешевлении».

«Является ли изобретение интегральной микросхемы моим самым главным достижением в жизни? О, безусловно!..»

Роберт Нойс:
«В Fairchild мы начали работать в рамках инженерного проекта, который военными назывался «молекулярной инженерией». Он финансировался ВВС. Предполагалось, что мы должны создать некую структуру, построенную из конструкций «молекула-на-молекуле» или даже «атом-на-атоме». И такая структура должна выполнять функции электронного прибора. Это было не совсем по нашему профилю, поскольку сила электронной промышленности всегда была в том, чтобы синтезировать что-то из простых элементов, а не пытаться изобрести сложный элемент. Создаются простые элементы схемы: конденсаторы, резисторы, усилительные элементы, диоды и т.п. , а затем из них синтезируют требуемую функцию. В общем, с молекулярной инженерией что-то пошло не так…»

нойс2

«Вы спрашиваете, было ли это в первую очередь маркетинговое решение – заниматься интегральными схемами. Я думаю, что нет. Я думаю, что большинство достижений такого рода не были предсказаны маркетологами или сознательно подготавливались маркетологами. Скорее, они возникали из логики технического прогресса. То время можно было бы охарактеризовать так: «Теперь мы можем вот это сделать. Почему бы вам не попробовать это продать?» А сегодня кто-то из маркетинга приходит и говорит: «Если бы имели вот это, то мы могли бы это продать». Чувствуете, где различие? В случае с интегральной схемой самое захватывающее было чувство, что существует необходимость в этом приборе. У всех. У военных, у гражданских… Понимаете – у всех!»

финал

Юрий Романов

donmigel_62: (кот - учёный)

Впервые испытаны транзисторы на фосфорене

Двумя научными группами — из США и КНР — одновременно открыт фосфорен. По сути, тот же фосфор, только двумерный. Как и двумерный углерод по имени графен, он может оказаться чрезвычайно важным материалом для будущих поколений вычислительной техники.

Открытый десять лет назад графен, несмотря на несколько выдающихся качеств, несёт в себе и врождённые ограничения — такие, например, как отсутствие запрещённой зоны, обязательной для полупроводников.

Именно поэтому Пэйдэ «Питер» Е (Peide Ye) и его коллеги из Университета Пердью (США) попробовали выделить аналог графена из чёрного фосфора — многослойной структуры, про которую сам г-н Пэйдэ так и говорит: «Посмотрев на его свойства в Википедии, уже через полчаса я понял, что у него есть потенциал». Потенциал для того, чтобы стать сырьём для получения одноатомных пластин фосфора.

Структура у нового материала не плоская, поскольку каждый его слой представляет собой «гофрированную» пластинку из атомов фосфора. (Здесь и ниже иллюстрации Peide Ye.)

«Технология» получения фосфорена пока ничем не отличается от того, что было явлено г-ми Геймом и Новосёловым в первые дни графена: липкая лента и чёрный фосфор, от которого этой лентой отрываются всё более тонкие слои. Кустарщина, конечно, но для изучения базисных свойств большего и не нужно. Что же удалось выяснить?


Материаловеды создали простейший транзистор из фосфора и взглянули на его свойства как полупроводника. Оказалось, что он имеет вполне себе запрещённую зону, и это одно из его преимуществ перед графеном.

В теории материалы, сходные с графеном (тонкие одноатомные слои), с кремнием уже применялись, породив силицен. Хотя последний — полупроводник, тем не менее его особенности, в том числе врождённая тяга к самоуничтожению, исключают создание на его основе работающих транзисторов. Станен — столь же перспективный (как и графен) материал на основе олова — пока, к сожалению, трудно получить в виде пластин, отчего его свойства всё ещё известны больше по теоретическим симуляциям, нежели по натурным исследованиям. Похоже, фосфорен — пока единственный естественный двумерный полупроводник р-типа, который есть в загашнике у материаловедов.

И всё же говорить о тождественности топологии графена и фосфорена в том, что касается их полной двумерности, пока стоит с большой осторожностью. Фосфор имеет три ковалентные связи, а не четыре, как углерод, а потому его поверхность сильно «вспучена», будучи не такой плоской, как у графена. В то же время это придаёт ему дополнительные возможности, связанные с наличием запрещённой зоны. Поэтому на практике сильные стороны этого материала являются порождением его неполной двумерности. По итогам экспериментов, модулирование тока на стоке у опытного фосфоренового транзистора, размещённого на подложке из оксида кремния, на четыре порядка лучше, чем у графена, и максимальный уровень модуляции для фосфорена всё ещё не достигнут, подчёркивают учёные. Ограничением пока служит подложка из этого самого оксида кремния.

Из фосфорена уже созданы предельно простые транзисторы, причём успешно работающие.
Что у него с подвижностью электронов? Она зависит от толщины слоя фосфорена, которая на практике пока колеблется. Если у американской группы, возглавляемой Пэйдэ Е, для сравнительно толстого образца она составила примерно 286 см²/В•с , то у китайской, ведомой Юаньбо Чжаном (Yuanbo Zhang) из Фуданьского университета, для дырок она достигает 1 000 см²/В•с (для куска фосфорена толщиной 10 нм). В то же время в опытах с другой толщиной пластины подвижность может быть «примерно меньше или больше», хотя точные границы значений станут ясны лишь после дополнительных исследований.

Особо подчёркивается, что с помощью двумерных полупроводников р-типа, представленных фосфореном, можно получить «напарников» для двумерных полупроводников n-типа, вроде дисульфида молибдена. И американская группа уже создала CIMOS-инвертор, где фосфорен функционирует в PMOS-, а дисульфид молибдена — в NMOS-структурах.

Как считают учёные, работоспособность такого сочетания означает, что сразу после создания технологий массового производства материалов на основе фосфорена он может быть использован в электронике современного типа, значительно улучшая её характеристики без необходимости в применении транзисторов нетривиальных схем, как это имеет место с графеном.

Препринты рассмотренных работ доступны здесь и тут.

Подготовлено по материалам NewScientist и других источников.

donmigel_62: (кот - учёный)

Создан быстрый прозрачный транзистор

Создан быстрый прозрачный транзистор

Транзисторы, разработанные специалистами из Университета Небраски-Линкольна и Стэнфордского университета, имеют уникальную особенность: они практически полностью прозрачные. Так, стеклянная пластинка размером с почтовую марку с нанесенными на нее транзисторами имеет прозрачность 90%. Более того, новые тонкопленочные органические транзисторы могут работать более чем в 5 раз быстрее, чем предыдущие примеры этой экспериментальной технологии. Проще говоря, быстродействие новых прозрачных транзисторов уже сравнимо с некоторыми типами кремниевых транзисторов, в частности теми, что применяются в дисплеях.

Добиться такого успеха удалось с помощью новой технологии производства тонкопленочных органических транзисторов. Обычно такие транзисторы изготавливают путем осаждения специального богатого углеродом раствора на вращающуюся подложку, как правило стекло. В ходе этого процесса образуется тонкий слой углерода, из которого затем формируют транзисторы.


Ученые и инженеры из Университета Небраски-Линкольна и Стэнфордского университета внесли два важных изменения в данную технологию. Прежде всего, они увеличили скорость вращения подложки, что позволило распределять углерод более равномерно. Кроме того, использовалась подложка небольшого размера, что увеличило концентрацию органических молекул на той же площади. В результате этих усовершенствований резко выросла скорость прохождения электронов по углеродным цепям, что повысило быстродействие транзистора.


Новая технология позволяет создавать быстродействующие прозрачные транзисторы. Благодаря подобным транзисторам, через 5-10 лет смартфон будет представлять собой кусок стекла или прозрачного гибкого пластика

К сожалению, пока процесс производства быстродействующих прозрачных транзисторов остается экспериментальным. Основной проблемой является точный контроль выравнивания органических материалов и равномерность параметров токопроводящего слоя на всей площади подложки.

Тем не менее, даже на текущем уровне новые транзисторы достаточно быстры, чтобы соперничать с кремниевыми аналогами. Дальнейшее совершенствование этой экспериментальной технологии приведет к началу массового выпуска недорогой высокопроизводительной электроники на гибких прозрачных подложках или на обычном стекле. Сфера практического применения такой электроники очень широка: от легких и компактных очков-дисплеев, до «умных» оконных стекол с интегрированными солнечными панелями.

donmigel_62: (кот - учёный)

Разработан первый транзистор, способный самообучаться в процессе работы

Синаптический транзистор


Проводя исследования, результатом которых может стать совершенно новый подход к реализации искусственного интеллекта, исследователи из Школы технических и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) Гарвардского университета разработали новый тип транзистора, транзистора, способного самообучаться в процессе его работы, что делает его подобным нервному синапсу. Названное синаптическим транзистором, это устройство самооптимизирует свои электрические и электронные характеристики в соответствии с функциями, которые оно выполняло в прошлом.

Одна из наиболее замечательных черт мозга человека или другого высокоорганизованного живого существа заключается в самообучении, в запоминании того, что это делает. Если человека заставить выполнять совершенно новую для него работу, то в первый день он будет действовать беспорядочно и постоянно совершать ошибки. Но, через неделю или две этот человек будет выполнять всю работу на "автопилоте", выполняя весь ряд действий, совершенно не задумываясь над этим. Все это происходит благодаря пластичности мозга, способности мозга динамически перестраивать свою структуру, образуя новые синаптические связи между нейронами или "перепрофилируя" уже существующие связи.

Большая часть пластичности мозга является последствием изменений приблизительно в 100 триллионах синапсов, которые представляют собой взаимосвязи между нервными клетками мозга. При выполнении человеком однообразных действий, синаптические связи, отвечающие за эту деятельность, крепнут и их количество увеличивается, что приводит к появлению целых "дорог" из синапсов, соединяющих определенные участки мозга.

Работа синапса


Когда определенный нейрон раз за разом посылает другому нейрону через синапс определенный сигнал, то этот синапс через некоторое время перестраивает свою структуру таким образом, чтобы усилить этот вид передаваемого им сигнала. Синаптический транзистор, созданный гарвардскими учеными, подражает такому поведению синапса. Для этого транзистор имеет особую структуру, которая во многом повторяет структуру обычного полевого транзистора за исключением небольшого количества специальной ионной жидкости, находящейся в промежутке между изолированным затвором транзистора и его проводящим каналом. Канал синаптического транзистора изготовлен из никелата самария (SmNiO3), а не из легированного кремния, как у обычных полевых транзисторов.


К сожалению, за счет наличия функции самообучения синаптический транзистор имеет более низкую скорость реакции, нежели полевой транзистор. Под реакцией здесь подразумевается изменение силы электрического тока, текущего через канал транзистора, в ответ на изменение электрического потенциала на управляющем электроде, затворе. За счет наличия ионной жидкости транзистор может запомнить то, что он делал в прошлом и откорректировать проводимость его канала, что достигается за счет перемещения ионов кислорода, насыщающих материал канала транзистора.

Электрическим аналогом "укрепления" синапса является увеличение электрической проводимости канала синаптического транзистора. И при смене рода выполняемых транзистором функций, точнее, при изменении характеристик проходящих через него сигналов может произойти и обратная ситуация, когда проводимость канала транзистора будет уменьшена за счет оттока ионов кислорода назад в ионную жидкость.

Самообучение синаптического транзистора


Следует отметить, что синаптический транзистор предназначен для работы с непрерывными аналоговыми сигналами, а не прерывистыми цифровыми данными, с обработкой которых достаточно хорошо справляются простые полевые транзисторы. Такая способность дает синаптическим транзисторам, которые являются одним из видов искусственных синапсов, большую гибкость в самостоятельном предварительном поиске методов решения определенной задачи и в дальнейшем улучшении своей работы по решению этой же задачи.

К сожалению, физическая структура гарвардского синаптического транзистора не может обеспечить самостоятельного должного управления значением проводимости его канала. Поэтому для создания необходимых временных задержек и формирования импульсов нужной формы, которые обеспечивают перенос ионов кислорода, используются несложные внешние электронные цепи. Тем не менее, это не является препятствием к созданию на основе синаптических транзисторов сложных схем по типу нейронных сетей, которые будут способны самостоятельно выработать особый вид реакции на определенные значения входных сигналов, и выработать эту реакцию не по заранее заложенной в структуре сети программе, а на основании опыта, приобретенного в ходе выполнения других задач.

Новые синаптические транзисторы могут стать точкой отсчета, с которой начнется разработка систем искусственного интеллекта нового поколения, построенного не на "умных" алгоритмах программного обеспечения, а "зашитого" в самой архитектуре компьютера. С другой точки зрения, схемы, собранные из миллионов крошечных синаптических транзисторов смогут перевести технологии параллелизма вычислений на качественно новый уровень эффективности.

Profile

donmigel_62: (Default)
donmigel_62

March 2014

S M T W T F S
       1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 1819202122
23242526272829
3031     

Syndicate

RSS Atom

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags