История и методология науки и техники в области электроники и нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf2.3. История транзистора в России
Транзистор, возможно, самое революционное изобретение ХХ ве- ка, был создан не в России. Обидно, но это факт, который никто не оспаривает. Дело было в США, в лаборатории фирмы «Белл» в конце 1947 г. Первая публикация вышла в июне 1948 г. – это год рождения транзистора.
Авторы изобретения – Уильям Шокли, Уолтер Браттэйн, Джон Бардин возможно и не собирались что-то изобретать, просто иссле- довали распределение электрического поля в окрестностях точечного контакта «металл–полупроводник (Ge)». Руководителем работы был У. Шокли (насколько можно восстановить историю по воспоминани- ям участников), руками все сделал У. Браттэйн, а сумел объяснить почему все заработало – Д. Бардин. Справедливость восстановила Нобелевская премия 1956 г., которая закрепила авторство ББШ – Бардина, Браттэйна, Шокли в открытии транзисторного эффекта и разработке конструкций биполярных транзисторов.
Изобретать вроде бы ничего и не требовалось. С 1925 г. было опубликовано несколько патентов и заявок на конструкции кристал- лического аналога триода, например, Дж. Лилиенфельдом и другими. Идеи витали в воздухе, не было только работающих образцов.
Когда эффект усиления сигнала был зафиксирован, обмерен, ав- торы подали патентную заявку, а затем и публикацию. У. Шокли из авторов патента исключили, по суровым патентным законам США руководитель не вправе считаться автором изобретения. Вероятно Шокли был обижен, но обида его имела конструктивный характер, так как через полгода У. Шокли создал и запатентовал (уже само- стоятельно) плоскостной транзистор.
С публикации 1948 г. начинается то, что больше волнует нас – ис- тория транзистора в России. Доподлинно известно, что американцы никому не передавали идеологию и технологию транзисторов.
Роль идеолога транзисторной эры в России принял на себя Алек- сандр Викторович Красилов. Он сумел оценить технический потен- циал, заложенный в заметке ББШ, и счел необходимым включиться в эти исследования. Красилов еще с довоенных лет занимался кри- сталлическими детекторами для радиолокации, а поскольку точеч- ный высокочастотный детектор – один из важнейших узлов радиоло- катора, то в 1948 г. Красилов работал в том самом Электровакуум- ном НИИ во Фрязино, которое было создано в 1943 г. по известному постановлению ГОКО «О радиолокации».
31
За вторую половину 1948 г. А.В. Красилов успел сделать несколь- ко важных шагов: с целью привлечь внимание коллег опубликовал реферативную заметку по публикации ББШ в журнале «Вестник ин- формации» «О кристаллическом триоде». В инициативном порядке организовал НИР с целью воспроизведения транзисторного эффекта, разработал и заказал испытательный стенд для изучения будущего транзистора.
Осенью 1948 г. на преддипломную практику в отдел Красилова пришла дипломница Московского химико-технологического инсти- тута Сусанна Мадоян, которой было суждено стать «Браттэйном» для российского транзистора. Велик соблазн порассуждать, какие раньше были дипломные работы у инженеров-химиков, но лучше предоставить слово самой Сусанне Гукасовне: «Осенью 1948 г. я на- чала свою дипломную работу под руководством А.В. Красилова. Она называлась «Исследование материалов для кристаллического трио- да». Исследование материалов – очень громко сказано, весь материал представлял собой маленькую пластину весом 20 миллиграммов, из- влеченную из детектора фирмы «Сименс». Кристалл довольно скоро поизносился, так как после каждого эксперимента и просмотра ха- рактеристик приходилось его подшлифовывать, травить и встал во- прос, что делать дальше». А дальше С.Г. Мадоян не только воспро- извела транзисторный эффект на трофейном кристаллике германия, но и разыскав на складе института банку оксида германия, воспроиз- вела основные этапы получения полупроводникового германия: вос- становление оксида, переплав, направленную кристаллизацию и ме- ханическую обработку полученного кристалла. Надо полагать, у Браттэйна таких проблем и не было, ему германий поставляли дру- гие, специально обученные люди. Итак, зафиксируем для истории: точечно-контактный транзистор в СССР был воспроизведен через год после июльской публикации ББШ в Physical Review или через полтора года после их же первых опытов. Несмотря на разные стар- товые условия, отставание не так велико.
Правду сказать, новый транзистор не был так уж убедительно хо- рош на фоне альтернативных ПУЛ (приемно-усилительных ламп). Коэффициент усиления 2,5…3 (в ПУЛ – сотни ), предельная рабочая температура 70 °С, температурная стабильность низкая, воспроизво- димость технологии тоже низкая, частотные и мощностные характе- ристики весьма низкие. Точечно-контактная конструкция транзисто- ра была тупиковой по идеологии, нужно было думать о конструкции с плоскостным контактом рабочих областей. Чем только и мог по-
32
нравиться транзистор 1949 г. – миниатюрностью и низковольтным питанием.
И вот – ситуация через год. В США (1949 г. фирма «Белл») разра- ботан имитатор морского боя (специализированная ЭВМ), в нем ис- пользованы 20 тысяч точечно-контактных транзисторов (больше, чем в первой ЭВМ на ПУЛ), достигнута более высокая надежность рабо- ты, развернуто производство слуховых аппаратов на транзисторах. Накапливается производственный опыт, совершенствуется техноло- гия, формируется спрос.
В СССР – 1950 г. Следующий дипломник А.В. Красилова – Феликс Щиголь – работает над опытной конструкцией точечно-контактного транзистора. Ни о каком промышленном освоении пока изобретения речи нет. Может быть нет германия? Ну сколько-то есть, в это же время в Томилино идет освоение германиевых детекторов разработ- ки А.В. Красилова для нужд радиолокации. ГИРЕДМЕТ получает за- дание на поиск сырья и разработку технологии получения чистого германия. Директор ГИРЕДМЕТа Н.П.Сажин, начальник германие- вой лаборатории Н.М. Эльхонес, в тесном сотрудничестве с С.Г. Ма- доян отрабатывают детали технологии полупроводникового герма- ния – все то же водородное восстановление, направленную кристал- лизацию, легирование.
Полупроводниковая электроника в это время развивалась. В 1950 г. собралось VIII Всесоюзное совещание по полупроводникам, первое по- сле войны, 40 % доложенных работ по фотоэлектрическим эффектам, широкий спектр поиска новых полупроводниковых материалов, термо- электричество… и ни одной работы по германию, по кремнию, тем бо- лее по транзистору. Такое вот академическое молчание. А вот Дж. Бар- дин, правда существенно позже, отмечал, что ключевой причиной успе- ха их транзисторного проекта было то, что «мы с самого начала сосре- доточились на германии и кремнии», т.е. не вширь, а вглубь. И вот опять, как в истории радиолокации, Аксель Иванович Берг – адмирал, академик, заместитель министра обороны, с его поразительным чувст- вом нового и широтой организационно-технических решений в 1951 г. собирает совещание именно по транзистору. Определяются четыре группы исследователей: Ленинградский физтех (Д.И. Наследов), Мос- ковский ФИАН (Б.М. Вул, В. Тучкевич), НИИ 160 (А.В. Красилов) и НИИ 108 (С.Г. Калашников, Н.А. Пенин, Г.А. Кубецкий). Общая за- дача – плоскостной транзистор, НИР «Плоскость». Срок окончания – конец 1953 г. Почему так важна эта инициатива А. Берга? С этого момента транзисторный проект перешел из стадии научных инициа-
33
тив Красилова и Калашникова в статус правительственного задания. В стране с жесткой плановой экономикой это было очень важно. Под такие работы можно и нужно было тратить кадровые и материальные ресурсы, привлекать соисполнителей.
Очень кстати оказалась «дружеская помощь» американских коллег: во-первых, У. Шокли выпустил обстоятельную монографию «Элек- троны и дырки в полупроводниках», на десятилетия эта книга стала учебником для транзисторных конструкторов всего мира. Во-вторых, в конце 1952 г. вышел тематический выпуск «Труды американского института радиоинженеров», целиком посвященный достижениям и проблемам транзистора. С этого момента не замечать транзистор стало невозможно. А главное, выяснилось, что многие недостатки, «детские болезни» транзистора там, в Штатах, уже преодолены и на- до догонять.
Втом же 1952 г. дипломник военно-инженерной академии Яков Федотов заинтересовался транзисторами. Он вспоминает, что начал с перевода первой части монографии У. Шокли. А поскольку на прак- тику он попал в группу А.В. Красилова, то применение транзисторов выбрал в качестве темы дипломной работы. В будущем у Я.А. Федо- това – профессора, генерала, крупного ученого и организатора науки, заведующего кафедрами и автора учебников большая жизнь в рос- сийской электронике, но это в будущем. А пока – слово самому ди- пломнику: «В августе 1953 г. у С.Г. Мадоян появились первые образ- цы плоскостных транзисторов. Один из них я применил для выходно- го каскада усилителя низкой частоты. На выходе этого приемника сто- ял пьезоэлектрический громкоговоритель. В начале 1954 г. я уже смог продемонстрировать макет радиолинии в диапазоне средних волн. Передатчик был выполнен на точечном транзисторе и замодулирован обычным угольным микрофоном».
Посмотрим на воспоминания Я.А. Федотова с модных ныне инно- вационных позиций. Макет чего сделал инициативный дипломник? В другой жизни это могло бы называться «уоки-токи» – близкодейст- вующая радиотелефонная связь нужна и милиции, и охраннику, и леснику, пожарному, агроному. Она могла бы тиражироваться десят- ками тысяч штук, в том числе и на экспорт.
Вдругой жизни это могло бы называться «Радионяня» – полезней- шее приспособление для контроля за грудным младенцем. Вероятный (постоянный, ежегодный!) спрос – сотни тысяч штук. Я.А. Федотов стал выдающимся ученым, руководителем и пропагандистом элек- троники, но изобретателем «Радионяни» он не стал.
34
Так что электроника-то у нас была, а не было инновационной эко- номики, чтобы в затылок инженеру Федотову дышал менеджер- инноватор, готовый выхватить из-под паяльника готовую схему и побежать ее копировать и продавать, продавать, рекламировать и опять продавать!
Но историю не перепишешь, поэтому вернемся в судьбоносный для русского транзистора 1953 г. Как уже сказано, в середине 1953 г. во Фрязино у С.Г. Мадоян появились первые плоскостные транзи- сторы, но скромнейшая Сусанна Гукасовна считает, что первый рус- ский плоскостной транзистор изготовил Николай Алексеевич Пенин (группа проф. С.Г. Калашникова, радиолокационный НИИ 108). А в конце того же 1953 г. правительство (министр М.Г. Первухин) при- няло решение о создании первого специализированного научного института по транзисторам НИИ 35. Точнее даже не создать заново, а перепрофилировать крупный авторитетный и богатый оборудовани- ем и кадрами магнитный ОКБ 627 на транзисторные задачи. Поэтому НИИ 35 получил не только место, но и кадры и инфраструктуру. А также статус «головного» института по транзисторам. Инициативу в подготовке этого решения проявили А.И. Берг и А.Ф. Иоффе. Но к чести Михаила Григорьевича Первухина, он не только вник в про- блему, но посетил группу А.В. Красилова во Фрязино и придал фор- мированию нового института должный размах: опытный завод, под- готовка кадров и т.п.
В новый НИИ переехала группа А.В. Красилова во главе с начальни- ком, вместе с почти готовой партией плоскостных транзисторов и гото- вым отчетом по НИР «Плоскость» (плоскостной транзистор). Часть со- трудников ОКБ 627 переключилась на транзисторную тематику и позже выросла в крупных специалистов.
Еще раз процитируем С.Г. Мадоян: «9 сентября 1953 г. маленький голубенький автобус из Фрязино привез 9 сотрудников группы А.В. Красилова к пятиэтажному кирпичному дому на Окружном проезде. Каждый вез с собой что-то самое важное, чтобы сразу включиться в работу. У меня в сумочке лежали 19 сплавных плоско- стных германиевых транзисторов». Для сдачи НИР «Плоскость» на- до было предъявить 20 приборов, но из-за переезда последний сде- лать не удалось.
Итак, отметим следующий важный момент истории: малют- ка-транзистор – побочный ребенок двух радиолокационных почто- вых ящиков, порожденный на русской земле от американской идеи, обрел наконец свой дом и законную семью. С 1953 года НИИ 35, за-
35
тем – НИИ полупроводниковой электроники, затем – НИИ «Пуль- сар» остается лидером советской и российской электроники. НИИ 35 развивался и креп, транзисторы набирались сил (по мощности, по час- тотам, по надежности и технологичности) и выпускались уже сотнями штук. Но заказчики, прежде всего военные, не спешили переходить на новые электронные компоненты. Сформировалось мнение, что тран- зисторы неперспективны для ответственной (читай «военной») аппа- ратуры, а если и нужны, например, для слуховых аппаратов, то пусть ими займется Министерство социального обеспечения (т.е. наряду с протезами, инвалидными колясками и костылями). К счастью, до это- го не дошло, но по мнению Я.А. Федотова на два-три года задержало естественное развитие российской транзисторной электроники.
Заводы полупроводниковых приборов начали строиться с 1958 г. Под принципиально новые технологии были отданы: макаронная фабрика в Брянске, спичечная фабрика в Таллинне, швейная фабрика в Воронеже, завод «Сельхоззапчасть» в Херсоне, коммерческий тех- никум в Риге. Замечательно, что в эти годы строительства электрон- ных заводов продукцией НИИ 35 были не только опытные серии транзисторов, но и технологические линейки по производству новых приборов, которые ставились в цеха бывших швейных и спичечных фабрик. В 1961 г. из Госкомитета по радиоэлектронике выделился Гос- комитет по электронной технике (ГКЭТ). Председателем Госкомитета, а затем и министром электронной промышленности стал Александр Ива- нович Шокин. С первых дней существование ГКЭТ транзисторизация электроники стала одним из важнейших направлений работы.
2.4. Слово об ученых
Абрам Федорович Иоффе – основоположник советской полупро- водниковой науки. Окончив петербургский технологический инсти- тут, А.Ф. Иоффе отправился в Мюнхен на стажировку к выдающе- муся физику начала ХХ века Конраду Рентгену. Был сначала вольно- слушателем, потом был зачислен в штат лаборатории и получил при- глашение остаться в Германии, но предпочел вернуться.
Возвратившись, А.Ф. Иоффе стал активно пропагандировать не- обходимость внедрения современной физики в разные области тех- ники. При Радиологическом институте в Петербурге им был органи- зован физико-технический отдел, который в 1923 г. стал самостоя- тельным Физико-техническим институтом. А.Ф. Иоффе возглавлял его долгие годы. Авторитетнейшее научное учреждение РАН и сейчас но-
36
сит его имя. Более того, по предложениям А.Ф. Иоффе физико- технические институты Академии были организованы в Харькове, Том- ске, Днепропетровске, Свердловске, причем А.Ф. Иоффе подкрепил кадрами вновь образованные научные центры. Целая когорта выдаю- щихся советских ученых является учениками А.Ф. Иоффе – атомщики А.П. Александров, И. Курчатов и Ю. Харитон, теоретики Л. Ландау и Я.И. Френкель, П. Капица и др. А.Ф. Иоффе в начале ХХ века актив- но изучал электрические и механические свойства ионных кристал- лов, в частности, кварца. Он впервые показал на сильное влияние малых примесей на свойства диэлектриков, и, как следствие, стиму- лировал работы по способам очистки ионных кристаллов от приме- сей. С 1931 г. А.Ф. Иоффе сосредоточился на полупроводниковых материалах, прежде всего на их фотоэлектрических и термоэлектри- ческих свойствах. Сформулированные в те годы принципы синтеза термоэлектрических полупроводников служат и сегодня.
В 1951 г. А.Ф. Иоффе организовал и возглавил институт полупро- водников (ИПАН) – первое в СССР научное учреждение по физике и технологии полупроводников, которое стало генератором россий- ских научных школ в полупроводниках. А.Р. Регель, Г.А. Смолен- ский, Д.Н. Наследов, Ж.И. Алферов – лишь некоторые из ученых ФТИ и ИПАНа. Первые советские монографии по полупроводникам – это два тома трудов А.Ф. Иоффе.
Олег Владимирович Лосев (1903–1942) – изобретатель, физик- самоучка, первый российский исследователь явлений в полупровод- никах. Школьником он попал в Тверскую радиолабораторию и свя- зал с ней свою научную судьбу, с ней перебрался а Нижний Новго- род, позже в Ленинград (слияние с ЦРЛ). О. Лосев выбрал своей те- мой точечные контакты на полупроводниковых кристаллах. Иссле- дуя природные и синтезированные кристаллы (ZnO, SiC и др.), О. Лосев открыл, описал и запатентовал контактные явления, объяс- нения которым нашлись лишь через сорок лет, в частности, эффект генерации и усиления сигнала и электролюминесценцию (свечение на контакте с SiC при прохождении тока). За работы по электролю- минесценции в полупроводниках ему в 1938 г. было присвоено без защиты ученое звание кандидата физико-математических наук, при том что законченного высшего образования он не имел. Патенты и публикации О. Лосева немало способствовали радиолюбительскому творчеству, которое в тридцатых годах прошлого века имело массо- вый характер. Талантливый ученый умер от истощения в блокадном Ленинграде, не дожив до сорокалетия.
37
3. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Создание и развитие вычислительных машин – отдельная часть ис- тории науки и техники, история двухвековой погони за двумя зайцами: быстродействием (производительностью) и надежностью. Двуединая задача была решена в середине ХХ века с использованием электрон- ных приборов. Поэтому вычислительная техника – это и глобальный потребитель электронных компонентов и стимулятор создания элек- тронной промышленностью новых узлов и компонентов, специально приспособленных к задачам вычислительной техники. Опустим всю доэлектронную историю вычислительных машин (и математику, и механику) и рассмотрим только фактологию развития техники ЭВМ в СССР, акцентируя внимание на роли и объемах электронной ком- понентной базы, ее изначально отечественном происхождении. Об- ратим внимание на географию центров создания и производства столь важной продукции электроники, как ЭВМ.
Первое поколение ЭВМ (1948–1958)
Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Несложная схема из двух триодов и четы- рех резисторов образует триггер – бистабильную ячейку – матери- альную основу машинной памяти и логики. Следовательно, на этом уровне развития – чем больше памяти, тем больше ламп и больше шлейф сопутствующих компонентов (системы питания, стабилиза- ции, резервирования и т.п.).
Первые ЭВМ предназначались для решения сравнительно не- сложных научно-технических задач. Они были значительных разме- ров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2–3 тысяч операций в секунду.
Первой ЭВМ принято считать ЭНИАК – американскую машину, созданную в годы Второй мировой войны по заказу Артиллерийско- го управления армии США, но немножко опоздавшую поучаствовать в войне (запущена в 1945 г.).
Не подлежит сомнению, что в послевоенный период никакой на- учно-технической информацией США с Советским Союзом не дели- лись. История создания советских ЭВМ изначально оригинальная.
38
1947–1948 гг. – начало работ по созданию в Институте электрони- ки Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева первой универсальной ламповой ЭВМ – МЭСМ (малой электронной счетной машины). Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой электронной счетной машины (БЭСМ), первое время буква «М» в названии озна- чала «модель». Работа над машиной носила исследовательский ха- рактер, с целью экспериментальной проверки принципов построения универсальных цифровых ЭВМ. После первых успехов и с целью удовлетворения обширных потребностей в вычислительной технике, было принято решение доделать макет до полноценной машины, способной решать реальные задачи.
Основные параметры следующие:
–на триггерных ячейках, для данных – на 31 число, для команд – на 63 команды;
–тактовая частота 5 кГц;
–быстродействие 3000 оп/мин (полное время одного цикла со- ставляет 17,6 мс; операция деления занимает около 20 мс);
–количество электровакуумных ламп 6000 (около 3500 триодов и
2500 диодов);
–занимаемая площадь 60 м2;
–потребляемая мощность около 25 кВт.
Данные считывались с перфокарт или набирались с помощью штекерного коммутатора. Также мог использоваться магнитный ба- рабан, хранящий до 5000 кодов чисел или команд. Для вывода ис- пользовалось электромеханическое печатающее устройство либо фо- тоустройство для получения данных на фотопленке.
В1948 г. И.С. Брук получил диплом на изобретение ЭВМ и пред- ставил проект создания такой машины, названной М-1. В декабре И.С. Брук и Б.И. Рамеев получили авторское свидетельство на изо- бретение «Автоматическая цифровая электронная машина». Из-за организационных трудностей работы по реализации затянулись.
В1950 г. вступает в действие первая в СССР вычислительная электронная цифровая машина МЭСМ, самая быстродействующая тогда в Европе, а в 1951 г. она официально вводится в эксплуатацию.
В1953 г. в Академии наук СССР (Москва) вводится в эксплуата- цию БЭСМ (большая электронная счетная вычислительная машина), разработанная в Институте точной механики и вычислительной тех- ники АН СССР под руководством С.А. Лебедева. БЭСМ относится к классу цифровых вычислительных машин общего назначения, ори-
39
ентированных на решение сложных задач науки. Построена на элек- тронных лампах (5000 ламп). Быстродействие – 8…10 тыс. оп/с. Внешняя память – на магнитных барабанах (2 барабана по 5120 слов) и магнитных лентах (4 по 30 000 слов). Скорость обмена с бараба- ном – 800 чисел/с. Скорость записи-считывания с ленты после пози- ционирования – 400 чисел в/с. Первоначальный ввод программы и исходных данных осуществляется с перфоленты со скоростью 20 кодов/с. Печать результата осуществляется на бумагу со скоро- стью до 20 чисел в/с. Потребляемая мощность – около 35 КВт.
В1955 г. Институт точной механики и вычислительный техники (ИТМиВТ) АН СССР ввел усовершенствования в Большую ЭВМ «БЭСМ», повысив ее быстродействие до 8000 оп/с.
В1956 г. разработана ЭВМ БЭСМ-2. Руководитель разработки – С.А. Лебедев. Основные технические характеристики аналогичны характеристикам БЭСМ-1: 20 тыс. оп/с, ОЗУ на 2048 39-разрядных слов на ферритовых сердечниках (200 000 сердечников). В машине со- держалось 4000 электронных ламп и 5000 полупроводниковых диодов.
В1958 г. в Институте кибернетики АН Украины разработана элек- тронная цифровая вычислительная машина «КИЕВ», предназначенная для решения широкого круга научных и инженерных задач.
В 1958 г. в Ереване под руководством Ф.Т. Саркисяна (Б.Б. Мелик-Шахназаров) создана ЭВМ «Раздан».
В 1958 г. под руководством Н.П. Брусенцова в вычислительном центре Московского университета была создана и запущена в произ- водство первая и единственная в мире троичная ЭВМ «Сетунь» – ма- лая ЭВМ на основе троичной логики. Единственная в своем роде ЭВМ, не имеющая аналогов в истории вычислительной техники. На основе двоичной ферритодиодной ячейки, которая представляет собой электромагнитное бесконтактное реле на магнитных усилителях транс- форматорного типа, Н.П. Брусенцов разработал троичную ферритоди- одную ячейку, которая работала в двухбитном троичном коде, т.е. один трит записывался в два двоичных разряда, четвертое состояние двух двоичных разрядов не использовалось.
Основные параметры следующие:
–тактовая частота процессора – 200 кГц;
–производительность – 4500 оп/с;
–ОЗУ на ферритовых сердечниках – 162 9-разрядных ячейки; время обращения 45 мкс;
40