Kremíkové údolie sa nestalo kremíkovým len tak náhodou. Na počiatku všetkého bolo germánium a hŕstka ľudí s veľkým odhodlaním a víziami. To čo vykonali zadefinovalo nielen celú kremíkovú éru, ale aj spôsob ako technologické firmy dnes vznikajú a fungujú. Odhaľte s nami tento príbeh, ktorého ozvenu cítime dodnes.
Ak by bola história Silicon Valley náboženským textom, príbeh zradcovskej osmičky by bol ekvivalentom prvého hriechu v rajskej záhrade. Je vskutku nesmierne zaujímavé, že obrovský technologický kotol kremíkového údolia, v ktorom sa odohral a dodnes odohráva esenciálny vývoj informačných technológií, je spätne možné stopovať až k malej skupinke ľudí a ich kľúčových činov, ktoré zmenili tok dejín.
Zrada ôsmich mladých vedcov a inžinierov, ktorá viedla k založeniu firmy Fairchild Semiconductor, naveky otočila ručičky kompasu vývoja počítačových technológií na západné pobrežia USA. Behom hŕstky rokov sa táto firma stala nielen rodiskom prvých komerčne úspešných kremíkových mesa tranzistorov, ale zároveň aj rodiskom prvého kremíkového integrovaného obvodu – mikročipu.
Prvá hlavná budova Fairchildu, stojaca na Charleston Avenue v Palo Alto, California (1958) /Foto: CHM/
To však nebolo ani zďaleka všetko. Bolo to takisto miesto, kde vznikol planárny výrobný proces, azda najprielomovejší spôsob polovodičovej výroby, ktorý zadefinoval to, ako sme tieto štruktúry vyrábali po celú nasledujúcu polovicu storočia. A aby to nebolo málo, firma sa stala aj úplnou pôrodnicou polovodičových firiem v celej lokalite, vďaka čomu vzniklo to, čomu dnes hovoríme Silicon Valley.
ZRADA V RAJSKEJ ZÁHRADE STVORITEĽA TRANZISTORU
Štartom celého príbehu bol tranzistor. Táto „zázračná“ súčiastka, ktorá vznikla v legendárnych Bellových laboratóriách v decembri roku 1947, bola základom počítačovej éry a jej napredovania. Jeho pôvodná trojica autorov, Walter Brattain, John Bardeen a William Shockley, bola v roku 1956 právom poctená Nobelovou cenou za fyziku.
Kým Brattain a Bardeen zostali v Bell Labs aj naďalej, pričom druhý menovaný neskôr sformoval s kolegami významnú BCS teóriu o supravodivosti, William Shockley v roku 1956 z Bellových laboratórií odišiel. V New Jersey nasadol na lietadlo a odletel na celkom opačný koniec USA, na západné pobrežie, do bezvýznamného kalifornského mestečka Palo Alto.
Odísť z najprestížnejšieho vedeckého laboratória svojej doby nebolo ľahké rozhodnutie. Shockley bol brilantný fyzik a vynálezca, avšak jeho matke sa s pribúdajúcim vekom zhoršilo zdravie a William sa vo veku 36 rokov rozhodol vrátiť nazad do mesta, kde vyrástol, aby sa o ňu mohol postarať. Vo vývoji polovodičových súčiastok však chcel pokračovať a tak si v neďalekom Mountain View prenajal priestory a založil vlastnú firmu. Nazval ju Shockleyho polovodičové laboratórium (Shockley Semiconductor Laboratory), pričom šlo o vôbec prvú inštitúciu na vývoj tranzistorov a kremíkových polovodičov v týchto končinách.
Shockleyho laboratóriom v Mountain View, z ktorého vzklíčilo Silicon Valley /Foto: Chemical Heritage Foundation Collections/
Do svojho nového laboratória sa okamžite snažil pretiahnuť expertov a svojich bývalých kolegov z Bell labs, ktorí sa vývoju tranzistorov venovali, avšak na jeho rozčarovanie sa mu nepodarilo zlákať ani jedného. Faktom bolo, že sa nikto nechcel sťahovať z centra špičkového vývoja na východnom pobreží USA do „zapadákova“ v Mountain View. Je vhodné pripomenúť, že toto sa netýkalo len Bell Labs. V 40. a 50. rokoch minulého storočia boli takmer všetky americké špičkové technologické laboratóriá a firmy sústredené na východnom pobreží, hlavne v oblasti New Yorku, New Jersey a Filadelfii (ako napríklad IBM, Bell Labs, Kodak, Philco či Xerox), alebo sa nachádzali na juhu v štáte Texas, kde napríklad sídlilo AT&T a takisto aj prvý významnejší komerčný výrobca tranzistorov – Texas Instruments.
„Nikto sa nechcel sťahovať z centra špičkového vývoja na východnom pobreží USA do „zapadákova“ v Mountain View“
Shockley sa teda rozhodol vychovať vlastné talenty a do svojej novovzniknutej firmy najal tím mladých a nadšených vedcov a inžinierov a to len niekoľko rokov po tom ako doštudovali univerzitu. Do špičkového vývoja tranzistorov ich pritom plne zasvätil. Šlo o troch fyzikov, ktorými boli Jay Last, Jean Hoerni a Robert Noyce, ďalej dvoch strojárskych inžinierov v podobe Eugena Kleinera a Juliusa Blanka, jedného fyzikálneho chemika, ktorým bol Gordon Moore, jedného elektroinžiniera, ktorým bol Victor Grinich a napokon jedného metalurga, ktorým bol Sheldon Roberts.
Hlavným snažením Shockleyho laboratória sa mali stať kremíkové tranzistory. Šlo o novú a rýchlo rastúcu vetvu vývoja, ktorá začala vytláčať staršie germániové verzie, pričom možnosti napredovania boli vskutku obrovské. Shockleyho benjamínkovia začali spolu s ním hľadať nové cesty, ako sa pohnúť vpred a získať v tomto odvetví navrch.
Aby sme pochopili, v akej situácii sa Shockleyho laboratórium vlastne nachádzalo, je dobré pozrieť sa na to, aké tranzistory vtedy vlastne boli na trhu. V počiatkom komerčného rozmachu tranzistorov sa predávali modely, vyrobené z germánia. Tento materiál použila pôvodná konštrukcia prvého tranzistoru z roku 1947, na ktorej Shockley, Bardeen a Brattain demonštrovali funkčnosť celého konceptu. Šlo o tzv. bipolárny bodovo-kontaktný tranzistor (Point-contact transistor), veľký zhruba ako Rubikova kocka, ktorého základom bola platnička germánia o veľkosti palca, sediaca na kovovom podstavci. Nad germániom držala pružina plastový trojuholník, obalený zlatou fóliou, napojenou na dve elektródy. Tento prvotný koncept bol nahradený praktickejším riešením tzv. bipolárneho tranzistoru s prechodmi (Bipolar junction transistor), ktorý Shockley vyvinul v Bellovom laboratóriu o rok neskôr. Našiel totiž účinné spôsoby pridávaním špecifických prímesí priamo do roztaveného germánia, ktorými v daných miestach menil jeho vlastnosti (v polovodičovom priemysle sa tento proces označuje ako pridávanie dopantov).
Germániový tranzistor 2N167 od GE z roku 1954 /Foto: Mark Richards/
Nový praktický postup výroby umožnil budovanie relatívne maličkých tranzistorových súčiastok, ktoré sa začiatkom 50. rokov minulého storočia začali výrazne presadzovať na trhu. Mali typickú podobu malej kocky či valčeka (klobúku) o rozmeroch približne 1 cm, ktorá stála na trojici nožičiek. Tieto germániové tranzistory komerčne uviedla na trh firma Western Electric (výrobná divízia patriaca pod AT&T, teda vlastníka výskumných Bellových laboratórií). Na základe nakúpenej licencie ich následne začali vyrábať aj firmy Philco a Texas Instruments, ktoré ich rôzne vylepšovali, ako napríklad pridaním prvku indium, ktoré obaľovalo germániové jadro. Tranzistory začali byť veľmi lákavým cieľom pre výrobcov elektroniky, či už v komerčnej sfére, alebo vojenskej a ich predaje začali strmo rásť.
Už v tej dobe bolo známe, že bipolárne prechodové tranzistory bude lacnejšie a lepšie vyrábať z kremíku. To sa v januári roku 1954 po prvý krát úspešne podarilo Morrisovi Tanenbaumovi v Bell labs, pričom o tri mesiace neskôr to takisto nezávisle na ňom dosiahol Gordon Teal z firmy Texas Instruments. Ten do firmy prišiel o dva roky skôr práve z Bell Labs, pretože začala vyrábať tranzistory v jeho rodnom meste. To, že Texas Instruments bola samostatná vývojová a výrobná firma umožnilo, že Tealov kremíkový tranzistor sa dostal na trh ako prvý. Veľký záujem o tieto tranzistory mala hlavne armáda, pretože mohli operovať vo výrazne vyšších teplotách a v horších podmienkach ako germániové, čo malo význam hlavne v raketách a všeobecne v avionike. Vďaka veľkým zákazkám sa tak Texas Instruments rýchlo stal v polovici 50. rokov najväčším výrobcom tranzistorov na svete.
Shockley tu však videl otvorené dvere a obrovskú šancu pre svoje nové laboratórium. Bol totiž dobre oboznámený s novátorský vývojom, ktorý v tej dobe prebiehal v Bellových laboratóriách, kde sa experimentovalo s difúziou kremíku a novým typom tranzistoru, ktorý sa prepínal výrazne rýchlejšie ako klasické bipolárne typy (či už germániové alebo kremíkové). Šlo o mesa tranzistor, ktorý v roku 1955 po prvý krát vyvinul Morris Tanenbaum. Svoj názov dostal podľa toho, že jeho konštrukcia bola plochá a vyvýšená nad podstavec a pripomínala tak stolové hory amerického juhozápadu (označované ako mesa). Problémom bolo, že aj keď sa o to rôzne firmy na čele s Bell labs a Texas Instruments snažili už dva roky, nikomu sa nepodarilo nájsť schodnú cestu jeho masovej výroby, ktorá by ho dokázala priviesť na trh.
Shockley veril, že to dokáže a svoj tím nováčikov v Mountain View začal nabádať k veľkému preskúmavaniu difúzneho procesu kremíku. Počítali difúzne krivky a testovali ich. Experimentálne vyrábali mesa štruktúry tranzistorov rôznymi spôsobmi a hľadali takú, ktorá by sa dala praktikovať rýchlo a vo veľkom počte. V priebehu prvého roku laboratória šlo všetko dobre a tím ôsmich mladých vedcov a inžinierov, spolu so svojim mentorom, napredovali a robili pokroky. V nasledujúcom roku (1957) sa však atmosféra v laboratóriu zmenila. Shockley začal čoraz viac úsilia venovať tzv. štvorvrstvovej dióde (na rozdiel od trojvrstvového tranzistora) o ktorej sa domnieval, že má väčší potenciál. Šlo o zložitejší prvok ako tranzistor, ktorý mohol zastať funkciu obvodu zloženého z dvoch tranzistorov (dnes sa nazýva Shockleyho dióda), avšak jeho výroba bola ešte zložitejšia ako mesa tranzistoru. Čoraz viac pritom smeroval aktivity laboratória smerom k jej vývoju. Osmička mladých vedcov bola so Shockleyho prístupu čoraz viac frustrovaná. Nazdávali sa, že tranzistory majú omnoho väčší komerčný potenciál, pričom cítili, že sú už na prahu dokončenia ich pokročilej mesa verzie.
William Shockley vo svojom laboratóriu /Foto: Associated Press/
Všetko to zároveň kolidovalo s tým, že aj keď bol Shockley výborný vedec, bol to hrozný manažér. Veľmi často menil svoje názory o tom, čo má laboratórium vlastne robiť a akým smerom sa má vývoj uberať a keď sa to skombinovalo s jeho nepríjemnou a často až paranoidnou povahou, bolo jasné, že jeho laboratórium nebolo príjemným pracoviskom. Jay Last, jeden z troch mladých fyzikov hlavného vývojového tímu, si v tejto súvislosti spomenul na zarážajúce správanie, pri ktorom Shockley v roku 1957 najal niekoľko nových mladých pracovníkov a krátko na to zinscenoval na pracovisku scénu, pri ktorej na mieste niekoľkých prepustil, pretože nepracovali podľa jeho predstáv. Ostatných pritom nútil podstúpiť test na detektore lži, aby zistil, či sú naozaj lojálni zadaným projektom, pričom testy sa následne opakovali aj z tých najmalichernejších príčin.
Všetko to napokon viedlo k rebélii jeho kľúčových zamestnancov. Aktivity Shockleyho laboratória v tej dobe financovala firma Beckman Instruments, výrobca laboratórneho vybavenia, pričom osmička rebelujúcich vedcov a inžinierov zašla za jej riaditeľom Arnoldom Beckmanom a žiadali ho, aby Shockleyho z vedenia laboratória zosadil. Predostreli mu svoju víziou o tom, kam by sa mal vývoj laboratória uberať a poukázali na to, že so Shockleyho vedením to nepôjde. Aj keď Backman si na niekoľkých mítingoch všetko vypočul a zvažoval možnú reštrukturalizáciu manažmentu, napokon sa rozhodol postaviť na stranu Shockleyho a ponechať ho vo vedení laboratória.
Rebelujúca osmička cítila, že tým za sebou spálila všetky mosty a rozhodla sa hľadať zamestnávateľa, ktorý by celú ich skupinu prijal. Kontaktovali malú investičnú bankovú firmu Hayden Stone & Company z New Yorku a spýtali sa ich, či by nemali záujem sponzorovať vývojárov kremíkových tranzistorov vyrábaných difúziou (podobne ako to robila firma Beckman Instruments pre Shockleyho laboratórium). Analytici a partneri firmy sa so skupinou stretli a boli z jej prezentovaných ideí nadšení. Odporučili im však založiť si vlastnú spoločnosť. Pomohli im pritom s hľadaním investora, pričom poukázali na spoločnosť Fairchild Camera and Instrument, čo bol armádny kontraktor z New Yorku, ktorý sa zúfalo snažil zapojiť do digitálnej éry.
Zradcovská osmička pri založení Fairchild Semiconductor /Foto: Wayne Miller/
V lete roku 1957 sa tak s nimi osmička rebelantov stretla a podpísali dohodu, podľa ktorej sa spoločnosť Fairchild Camera and Instrument zaviazala, že bude financovať vznik novej polovodičovej firmy (s rozpočtom 1,3 milióna dolárov za prvých 18 mesiacov), pod podmienkou otvorenej možnosti ju v budúcnosti kompletne odkúpiť za konkrétnu cenu, limitovanú časom. Konkrétne za 3 milióny dolárov, za predpokladu, že čistý zisk firmy ešte neprekračuje 300 000 dolárov ročne. Toto bolo veľmi nezvyčajné a dohoda o financovaní tohto typu sa stala základom toho, čo dnes nazývame Venture kapitál, ktorého rozpuk nastal v Kalifornii v 60. rokoch a stal sa pre Sillicon Valley typickým.
Keď sa Shockley dozvedel, že jeho najlepší zamestnanci spoločne odchádzajú a so znalosťami ktoré im odovzdal zakladajú konkurenčnú firmu, rozzúril sa a nazval ich „zradcovskou osmičkou“. Aj keď činnosť jeho laboratória s novými zamestnancami pokračovala, nikdy sa z tohto odchodu kľúčových ľudí nespamätalo a nepresadilo sa. V roku 1960 bolo odpredané firme Clevite Transistor, následne industriálnemu výrobcovi ITT a napokon celkom skončilo. Shockley až do svojho dôchodku pracoval ako profesor na Stanfordovej univerzite.
FAIRCHILD SEMICONDUCTOR A JEHO RÚHAČSKÉ TECHNONÁPADY
Zradcovská osmička nelenila a pustila sa do práce. Svoju novú firmu si fyzici a inžinieri založili v prenajatej budove na ulici Charleston Road v Palo Alto, len zhruba dva kilometre od Shockleyho laboratória. Z investičných peňazí nakúpili a v budove nainštalovali difúzne pece, nástroje na pestovane monokryštálov, vákuové výparníky a optické nástroje na fotolitografiu.
Vo Fairchild sa od začiatku začal uplatňoval formát práce, naučený od Shockleyho, ktorý bol typický pre vedecké Bellove laboratóriá. Bežné veľké komerčné polovodičové firmy, ako Texas Instruments a Philco, pristupovali k vývoju obvykle konzervatívne. Tranzistory zvyčajne budovali tak, ako to bolo v danej dobe najlepšie možné, pričom napríklad pri výrobe difúznych kremíkových tranzistorov používali kovové masky a pomáhali si difúziou gália. Kontakty pri tom tvorili z ľahko použiteľného materiálu, ako napríklad striebra či hliníku.
Naproti tomu Fairchild, podobne ako Bell labs, pristupoval k vývoju s tým, že hľadal materiály a postupy, ktoré by boli lepšie pre beh na dlhú trať, nie pre krátkodobý rýchly šprint dnes. Nebáli sa teda zdĺhavého vývoja metódou pokus a omyl. Práve vďaka tomuto nezviazanému vedeckému prístupu bolo Bell labs dlhodobo na špici polovodičového vývoja a odhalilo mnohé sľubné postupy, ako boli napríklad masky z oxidu kremičitého a pomocné difúzie bóru a fosforu. Fairchild sa od začiatku vždy zameriaval práve na tieto dlhodobo lepšie riešenia, ktoré videl u Bell labs a snažil sa ich priviesť do praxe pre sériovú výrobu.
Difúzne stroje vo fabrike Fairchildu na prelome 50. a 60. rokov /Foto: National Semiconductor/
Po svojom osamostatnení sa celá osmička okamžite znovu pustila do vývoja mesa tranzistoru. Gordon Moore sa sústreďoval na difúzne pece, v ktorých mohol dopovať kremík s mikrometrovými vrstvičkami bóru a fosforu, ktoré menili elektrické vlastnosti kremíkových vrstiev. Robert Noyce a Jay Last vyvíjali metódy fotolitografie a masiek z oxidu kremičitého, pomocou ktorých bolo možné vytvárať vo vrstvách na waferi presné otvory, cez ktoré sa dopanty dostávali do konkrétnych miest kremíku a tvorili jednotlivé prvky tranzistora. Štvorica inžinierov a metalurgov zas pracovala na pestovaní kremíkových monokryštálov, z ktorých rezali jednotlivé wafery. Zároveň sa podieľali na testovaní výsledných vyrobených tranzistorov a napokon aj na zháňaní zákazníkov.
Všetci sa v úvode zhodli na tom, že najviac profitujúca činnosť je získavať armádne zákazky, ktoré rástli ako huby po daždi. Toto obdobie bolo typické pre technologický šok, v rámci ktorého bolo USA ochromené sovietskym kozmickým víťazstvom v súvislosti so Sputnikom. Šokom pritom nebola ani tak samotná prvá družica, ako existencia funkčných balistických rakiet, schopných dopraviť nukleárne hlavice na územie USA za zhruba 26 minút. Ekvivalentný americký vývoj balistických rakiet tak miestna vláda silno urýchlila, čo si vyžiadalo mnoho nových elektronických systémov, a teda aj tranzistorov. Americké ozbrojené zložky takisto chceli zmodernizovať avioniku svojich lietadiel, ktoré dovtedy používali hlavne analógové systémy. Tie potrebovali pri každej zmene znovu fyzicky nakonfigurovať. Zároveň bojovali aj s ich elektrónkami, ktoré v priemere zlyhávali za 70 hodín. Dopyt po tranzistoroch pre digitálne systémy teda rýchlo rástol.
Zatiaľ čo sa v laboratóriu sedem členov Fairchildu blížilo k nájdeniu úspešného postupu k výrobe mesa tranzistoru, posledný člen osmičky, švajčiarsky teoretický fyzik Jean Hoerni, väčšinou sedel v hornej kancelárii budovy a niečo si kreslil do svojho poznámkového bloku. Ešte rok predtým bola jeho hlavná práca v Shockleyho laboratóriu počítanie rýchlostí a stupňov difúzií kremíkových monokryštálov (vypestované rozmerné valce extrémne čistého kremíku, z ktorých sa režú wafery).
Pestovanie kremíkového monokryštálu /Foto: Wacker Siltronic/
Často sa pri tom motal pri laboratórnej práci inžinierov a snažil sa porozumieť fyzikálnych princípom, vďaka ktorým sa formovali špecifické štruktúry, pretože mnohé stále neboli vedecky pochopené. Prvého decembra roku 1957 si Hoerni zapísal do svojho zápisníka dnes už historický záznam „Metóda ochrany odhalených P-N prechodov na povrchu kremíkových tranzistorov pomocou oxidových masiek.“
Na nasledujúcich dvoch stránkach následne popísal metódu, ktorá bola skutočnou revolúciou vo výrobe tranzistorov. V tej dobe najpokročilejšie mesa transitory, ktoré sa Fairchaild snažiť priviesť na trh, mali štruktúry pripomínajúce tvar typickej americkej stolovej hory, na ktorú boli dodatočne pridané materiály v podobe troch vertikálnych prechodov. Tieto prvky môžete dobre vidieť na schematickom obrázku ako tri tmavé „domčeky“ na vrchole stolovej hory. Ako je vidieť, boli prakticky holé a náchylné na akékoľvek problémy.
Hoerniho napadlo, že by sa pri procese výroby pomocný oxid kremičitý neodleptával a nechával na mieste. Tým by vytvoril povrchovú ochrannú vrstvu, do ktorej by vertikálne prvky zapadli a zarovnali sa. Odpadný materiál, dovtedy používaný len pri procese výroby ako forma, sa teda mal stať samotným prvkom tranzistora. Hoerni si uvedomil, že by takéto riešenie prechody chránilo pred kontamináciou inými materiálmi a takisto potenciálne pred elektrickými únikmi. Toto riešenie, ktoré dnes nazývame ako planárny výrobný proces, sa stalo dominantnou metódou výroby tranzistorov po nasledujúceho pol storočia.
Konštrukčné rozdiely mesa a planárneho tranzistoru
Bol to však len vizionársky nápad. V tej dobe Fairchild chvátal za tým, aby mohol vyrábať mesa tranzistory, pričom keď sa rozkríklo, že na tom pracuje, navštívili ich ľudia z IBM. Tento významný tvorca elektronických systémov zúfalo hľadal nový typ lepšieho tranzistoru, ktorý by mohli použiť v elektronike vyvíjanej pre nový bombardér B-70 amerického letectva. Dostali sa pri tom do problémov, pretože klasické kremíkové bipolárne tranzistory od Texas Instruments neboli schopné ustáť prúdy potrebné pre pamäť nového palubného počítača, zatiaľ čo staršie germániové typy zlyhávali pri zmenách teploty a vibráciách.
IBM tak hľadalo nové riešenie a ukázalo sa, že Fairchaild a ich mesa tranzistor môže byť odpoveď. V marci roku 1958 tak Fairchild podpísal kontrakt na ich výrobu, pričom šlo vôbec o prvú zákazku firmy, prinášajúci seriózne peniaze. Objednávka IBM bola na 100 tranzistorov v cene 150 dolárov za kus (dohromady 15 000 dolárov, čo je cca 140 000 dolárov na dnešné pomery). Tím znásobil svoje úsilie a pod vedením Gordona Moora v lete roku 1958 vyprodukoval prvú funkčnú testovaciu sériu, ktorú odoslal do IBM. O pár týždňov neskôr tento produkt zároveň ohlásili aj na verejnosti na výstave WESCON a oznámil začatie jeho predaja pod modelovým označením 2N696.
Až vtedy osmička na svoje prekvapenie zistila, že boli jediní. Texas Instruments a ani žiadna iná firma ešte mesa tranzistory nedokázala vyrábať a Fairchild sa tak stal prvou firmou, ktorá ich ponúkala na trhu. Z firmy, ktorá dovtedy nič neznamenala, sa náhle stala hviezda a získala stovky nových zákaziek, určených pre riadiace systémy lietadiel i rakiet. Tou najvýznamnejšou bola objednávka firmy Autonetics, ktorá vyvíjala elektronické navigačné systémy pre nukleárne balistické rakety Minuteman. Obrovský záujem o produkty priniesol nutnosť firmu rozšíriť a behom jesene 1958 tak pôvodná osmička nabrala niekoľko desiatok nových zamestnancov, predovšetkým technikov a operátorov výroby a takisto manažérov predaja.
Kremíkový mesa tranzistor (2N697), ktorý Fairchild predával v roku 1958 /Foto: Mark Richards/
V posledných mesiacoch roka sa však začali objavovať nečakané problémy, ktoré úspech firmy výrazne ohrozili. Zákazníci si na mesa tranzistoroch začali všímať dve negatívne vlastnosti. Fungovali vždy perfektne, ale len dočasne. Následne im z nejakého dôvodu začal klesať výkon a prepínali sa čoraz pomalšie. Okrem toho, v niektorých prípadoch z ničoho prestali fungovať úplne. Tím sa tomu snažil prísť na kĺb, pričom zistil, že spomaľovanie je spôsobené jednou z nových metód, ktorú vyvinuli a umožnila ich vyrábať.
Kremíkové wavery boli zo spodnej strany oplášťované niklom, ktorý bol „nadopovaný“ fosforom. Bolo to za účelom pritiahnutia nečistôt z kremíku do spodku, aby bola vrchná časť tranzistoru perfektná. Problémom bolo, že postupom času sa toto usporiadanie stalo až tak efektívne, že začalo negatívne ovplyvňovať „chcené nečistoty“, ktoré tvorili prvky tranzistoru a s pribúdajúcim časom tak čoraz viac degradovali ich výkon. Príčinu druhého problému s kompletným zničením naopak spôsobovali miniatúrne čiastočky kovu, ktoré sa po čase utrhávali zo zvaru ochranného „klobúčiku“ celého tranzistoru. Potom ako sa uvoľnili, pritiahli ich silné elektrické polia vystúpených prechodov tranzistora, pričom pri nalepení na ich povrch spôsobovali skraty.
Jean Hoerni, ktorý mal z celej osmičky suverénne najväčšie znalosti štruktúry kremíkových monokryštálov, začal tieto problémy riešiť v novembri 1958. V nasledujúcich dvoch mesiacov pritom uplatnil dva nové a revolučné postupy. Problém s výkonom sa rozhodol riešiť tým, že do kremíku bude dopovať zlato. To bolo doslova rúhanie. Medzi výrobcami polovodičov bolo zlato vnímané ako „smrtiaci“ prvok, ktorému sa bolo treba vyhýbať za každú cenu, pretože síce zvyšovalo rýchlosť prepínania, ale jeho použitie výrazne zhoršovalo chcené zosilňovacie schopnosti tranzistoru, ktoré táto súčiastka prirodzene poskytovala.
Jean Hoerni, tvorca planárneho tranzistoru a planárneho výrobného procesu /Foto: Wayne Miller/
Hoerni si však uvedomil, že by zlato mohol dostať difúziou do kremíku len v oblasti jednej elektródy, konkrétne kolektoru (každý bipolárny tranzistor sa skladá z troch elektród v podobe kolektoru, bázy a emitoru), čím by miesto negatívneho pôsobenia zmenšil a zároveň získal potrebný výkon. Následne začal metódou pokus omyl skúšať rôzne difúzie zlata do tejto časti kremíku, pričom menil čas ich aplikácie a teplotu.
„Problém s výkonom sa rozhodol riešiť tým, že do kremíku bude dopovať zlato. To bolo doslova rúhanie.“
Všímal si pritom ako rozličné prístupy menili rýchlosti prepínania a ako sa menili negatíva z hľadiska ostatných vlastností. Napokon našiel konfiguráciu, kde sa negatíva prakticky vôbec nedostavili. Celá osmička tieto metódy rýchlo zapracovala do nových produktov, pričom tým nielenže vyriešila degradáciu výkonu mesa tranzistorov, ale aj výrazne zvýšila ich rýchlosť. Dostali sa tak na vrchol vo všetkých oblastiach a neexistoval germániový či kremíkový tranzistor, ktorý by bol v niečom lepší.
Hoerni sa následne sústredil na druhý problém, pričom využil svoj nedávny neortodoxný nápad konštrukcie planárneho tranzistora a čiastočne obalil odhalené kontakty mesa tranzistora vrstvou oxidu kremičitého. Tým ich ochránil pred prípadnými kovovými čiastočkami, uvoľnenými z obalu.
Oba tieto Hoerniho nápady a riešenia boli rúhačské a išli proti všetkým dovtedajším princípom výroby. Na zvýšenie výkonu tranzistoru použil materiál, o ktorom všetci vedeli, že parametre tranzistorov zhoršuje (zlato). Následne sa rozhodol, že na ochranu jeho elektród použije materiál (oxid kremičitý), ktorý všetci dôkladne z elektród pri výrobe odstraňovali, aby im neškodil (používal sa pri výrobe len ako pomocná forma a následne sa odleptával preč).
ZÁZRAČNÁ TRANZISTOROVÁ PLANINA A PRELOMOVÝ INTEGROVANÝ OBVOD
Vyriešenie problémov mesa tranzistoru a jeho narastajúce predaje umocňovali úspech Fairchild Semiconductor na trhu. Firma ku svojej budove v Palo Alto pridala novú výrobnú fabriku v susednom Mountain View, pričom na začiatku roku 1959 zamestnávala už viac ako 700 ľudí.
Riešenie druhého problému mesa tranzistoru Hoerniho utvrdilo v tom, že by mal vo svojom nápade planárneho procesora pokračovať a v januári 1959 sa začal pripravovať na jeho experimentálnu realizáciu. Prišiel za Jay Lastom a požiadal ho o prípravu novej štvrtej litografickej masky (pri výrobe mesa tranzistorov boli potrebné tri), ktorá by mu umožnila pridať ďalšiu difúziu a celý povrch tranzistoru zarovnať ako planinu. Následne sa pustil do experimentovania.
Jeho súkromné snahy sa skončili 12. marca 1959, kedy si zavolal do svojho laboratória svojich kolegov a ukázal im prvý funkčný prototyp. Jay Last a Gordon Moore sa naň pozreli pod mikroskopom, pričom ich prekvapilo, že vyzeral celkom inak, ako všetky tranzistory ktoré dovtedy videli. Bol veľký približne 1 milimeter a bol kompletne plochý. Žiadna stolová hora, žiadne vyčnievajúce prechody elektród. Nič. Vyzeral ako terč, s niekoľkými zatočenými prvkami, akoby nakreslenými na kremíkovom povrchu.
Prvý planárny tranzistor pri pohľade z vrchu (rozmer cca 1 mm) /Foto: Fairchild Camera and Instrument Corporation/
Hoerni ho následne zapojil do obvodu a začal predvádzať jeho schopnosti, pričom si všetci prekvapene uvedomili, že tranzistor zosilňoval signál lepšie, ako mesa tranzistor. Okrem toho mal navyše extrémne malé úniky prúdu (vznikajúce v momente prepnutia), ktoré boli až o tri rády menšie, ako mala mesa konštrukcia. Všetci bolo ohromení. Šlo skrátka o majstrovský tranzistor pre počítače, ktorý prekonával všetky dovtedajšie tranzistory o niekoľko tried.
To však nebolo všetko, Hoerni tranzistor vybral z obvodu, položil ho na stôl a do jeho povrchu niekoľkokrát udrel kladivom. Následne ho vzal do ruky, napľul naň, čím naň dostal niekoľko kontaminačných prvkov, ktoré boli pre kremíkové tranzistory smrteľné, utrel ho a znovu pripojil do obvodu. Tranzistor začal fungovať, akoby sa nič z absurdnej demonštrácie nestalo. Všetci sa pobavene na celú šou neveriacky pozerali a nevychádzali z údivu. Predvedené vlastnosti ich uchvátili natoľko, že sa rozhodli pre tranzistor vyvinúť sériový výrobný proces, ktorý by ho dostal na trh.
To, že zlatom dopované planárne tranzistory boli výkonné a zároveň mimoriadne odolné, bolo pre všetkých nesmierne lákavé a videli v nich obrovský potenciál. Asi najlepšie si ho ale uvedomovali Noyce a Moore, ktorý sa z hľadiska obchodnej stratégie postupne vykryštalizovali ako vedúce osobnosti firmy. Dobre totiž vedeli, že ak sa tieto tranzistory podarí uviesť na trh, všetky firmy zapojené do výroby elektroniky pre zbrojný priemysel ich budú chcieť, čo vyústi do ďalšieho explozívneho rastu firmy.
„Hoerni tranzistor vybral z obvodu, položil ho na stôl a do jeho povrchu niekoľkokrát udrel kladivom.“
To si v priebehu roku 1959 uvedomil aj investori z firmy Fairchild Camera and Instrument. Tí videli, že firma po roku 1958, kedy dosiahla obrat pol milióna dolárov, v aktuálnom roku skončí na hrubé tržby okolo 7 miliónov a hrozilo, že poľahky prekročí čistý zisk 300 000 dolárov. V októbri tak využili dodatok investičnej zmluvy, ktorý im umožňoval celú firmu Fairchild Semiconductor do tohto limitu čistých tržieb odkúpiť za 3 milióny dolárov.
Sprvu sa na oko nič nezmenilo. Pôvodná zradcovská osmička bola za svoj úspech vyplatená a navyše, nový majiteľ okamžite financoval rozšírenie fabriky v Mountain View za 750 000 dolárov a výstavbu novej fabriky v San Rafael za milión dolárov. Na začiatku roku 1960 sa tak firma rozrástla na 5 budov a zamestnávala viac ako 1100 ľudí.
Veľké vývojové tímy a rozsiahle výskumné laboratória umožnili, aby osmička spoločne so svojim veľkým zástupom kolegov v apríli 1960 planárny tranzistor dokončila a uviedla ho na trh (pod označením 2N1613). Trh ho prijal s nadšením. Šlo pritom nielen o revolúciu z hľadiska výkonu a výdrže, čo oceňovali zákazníci. Zároveň šlo aj o zlom zo strany samotných polovodičových výrobcov. Jeho celkom plochá štruktúra totiž umožnila, aby boli všetky prvky tranzistory vyrábané len z jednej strany waferu, čo nesmierne uľahčilo sériovú výrobu. V tej dobe pravdaže ešte nikto netušil, že planárny výrobný proces sa stane štandardom, ktorým sa budú tranzistory vyrábať nasledujúcich 50 rokov.
Zradcovská osmička v testovacej a kontrolnej časti svojej fabriky /Foto: Wayne Miller/
Fairchild mal na prelomovú planárnu výrobu spočiatku monopol, čo mu umožnilo v roku 1961 stať sa najväčším výrobcom výkonných polovodičov na svete (obrat 30 miliónov dolárov, čo je zhruba 2,5 miliardy na dnešné peniaze). Následne na planárnu konštrukciu začal predávať licencie. Pokrok a know-how, ktorý v tomto smere firma dosiahla, však znamenal ohromný náskok. Ten bol v marci 1961 demonštrovaný ďalším zlomovým produktom, ktorým bol kremíkový monolitický integrovaný obvod.
Firmy sa už niekoľko rokov snažili o výrobu kompletných monolitický polovodičových mikro-obvodov, pri ktorých tranzistory, rezistory, diódy a kondenzátory existovali ako spoločný celok na jednej platničke – čipe. Kombináciou týchto označení sa stal aj výraz „mikročip“, ktorý sa pre integrovaný obvod stále často používa. Aj keď výrobu jednotlivých súčiastok mali firmy dlhodobo zvládnutú, ich vyrábanie naraz na jednom wafery kremíku vedľa seba, zapojené rovno do funkčných obvodov, bol celkom iný a nesmierne komplexný oriešok. Nie je prekvapivé, že prvé pokusy tohto typu sa odohrali v druhej polovici 50. rokov v Bell labs.
Mnoho ďalších firiem sa tomuto konceptu začalo venovať po legendárnom článku na oslavu 10. výročia tranzistora, v ktorom Jack Morton z Bell labs použil výraz „tyrania čísiel“, ktorým vyjadril to, že ako sú elektronické obvody zložené stále z viac a viac súčiastok, pravdepodobnosť zlyhania niektorej z nich exponenciálne rastie, čím sa napokon zlyhanie systému priblíži k nevyhnutnej istote.
O miniaturizáciu a zjednodušenie elektronických obvodov sa snažilo mnoho firiem, pričom tieto projekty štedro financovala hlavne armáda, respektíve americký zbrojný priemysel. Čím totiž bola elektronika väčšia a ťažšia, tým komplikovanejšie bolo jej použitie v lietadlách a raketách. Veľký kontrakt v tomto smere mala polovodičová firma Texas Instruments, kde vývoj integrovaného obvodu viedol Jack Kilby. Ako prvému na svete sa mu to v septembri 1958 podarilo, pričom použil wafer z germánia. Firma tento úspech ohlásila na začiatku roku 1959 a pritiahla na seba zaslúženú pozornosť. Svojej konkurencii ponúkla odkúpenie licencie, avšak nevydržalo jej to dlho.
Prvý kremíkový integrovaný obvod /Foto: Fairchild Corporation/
Vo Fairchild na začiatku roku 1959 začal na integrovanom obvode rýchlo pracovať Robert Noyce, pričom experimentoval s kremíkovým riešením, ktoré sa v Texas Instruments nepodarilo vyrobiť. Ako jeden z mála ľudí už pri tom bol oboznámený s Hoerniho novým planárnym postupom výroby tranzistorov a rozhodol sa kolegove postupy vyskúšať pri tvorbe integrovaného obvodu. Navrhol pri tom schému, v rámci ktorej sa mali prvky obvodov prepájať na kremíkovom čipe vďaka vodivej vrstve hliníku, umiestnenej nad Hoerniho vrstvou oxidu kremičitého.
Bolo však nutné vyriešiť problém izolácie. Ten v roku 1960 vyriešili dvaja nadaní noví inžinieri Fairchildu, v podobe Lionela Kattnera a Isyho Haasa. Použili nový difúzny proces bóru, pomocou ktorého v kremíku vytvorili hlboké šachty. Na ostrovčekoch medzi nimi vytvorili planárne tranzistory a rezistory a prepojili ich odparením hliníkového filmu do vrstvy oxidu kremičitého.
Po pár mesiacoch bol produkt pripravený a marci roku 1961 Gordon Moore a Robert Noyce usporiadali tlačovú konferenciu, na ktorej oficiálne oznámili „Mikrologický planárny integrovaný obvod“ od Fairchildu. Použitie kremíku a jeho vyspelé vlastnosti vychádzajúce z planárnej konštrukcie boli natoľko pred klasickým germániovým riešením Texas Instrument, že po historicky prvom riešení už po pár dňoch neštekol ani pes.
ROZVETVENIE STROMU A VZNIK LEGENDÁRNYCH DETÍ FAIRCHILDU
Aj keď planárny integrovaný obvod bol veľký technologický úspech a podieľal sa na tom, že sa z Fairchildu stal najväčší výrobca polovodičov na svete, v rámci firmy bol zdrojom rozkolov. Technická a inžinierka strana firmy si bola dobre vedomá jeho obrovského potenciálu, avšak pre ekonomický personál šlo o „bočný projekt“, ktorý drzo odčerpával financie a vývojové talenty z nosného biznisu v podobe samostatných tranzistorov. Takýto postoj zastával napríklad Tom Bay, firemný manažér predajov, ktorý nových majiteľov firmy nabádal, aby projekt integrovaných obvodov zastavili a zrušili. Kolidovali totiž s existujúcimi produktmi a mohli im ukrajovať predaje. Potenciál integrovaných obvodov nechápal a neuvedomoval si, že znamenajú ďalšiu výraznú zmeny trhu.
Tieto interné rozkoly boli umocnené zmenami vo vedení. Odkúpenie investormi síce malo pozitívny dôsledok v tom, že pôvodní ôsmi zakladatelia dostali do vienka značné množstvo akcií ich novej materskej spoločnosti a tým aj finančnú nezávislosť, avšak na druhú stranu to znamenalo, že už neboli v rámci Fairchild Semiconductor majitelia, ale len zamestnanci.
Nová fabrika a centrála Fairchildu na začiatku 60. rokov /Foto: Solid State Journal/
Výsledkom bolo napätie nielen medzi nimi, ale aj ostatnými top inžiniermi, ktorí do firmy prišli až dodatočne. Všetko to napokon viedlo k vnútorným rebéliám, v rámci ktorých jednotlivé skupinky pôvodných zakladateľov a takisto novších top inžinierov začali v roku 1961 postupne firmu opúšťať a zakladať si konkurenčné spoločnosti vo vedľajšom meste či rovno vo vedľajšej ulici.
Ak by sme Shockleyho polovodičové laboratórium nazvali semienkom, z ktorého vzklíčil prvý a osamelý strom Sillicon Valley v podobe Fairchild Semiconductor, tak tento moment by sa dal prirovnať k tomu, ako strom vyrástol, rozvetvil sa a rozprášil svoje semená do celého okolia, kde následne vyrástol celý les.
Z pôvodnej zakladateľskej zradcovskej osmičky firmu ako prvý opustili fyzici Jay Last a Jean Hoerni a metalurg Sheldon Roberts. V januári 1961 založili firmu Amelco Semiconductor, ako divíziu armádnych elektronických systémov kalifornskej firmy Teledyne. Pre ňu následne produkovali tranzistory a práve nové integrované obvody, takže z dôvodu jej povahy bolo mnoho produktov utajených. Medzi tie verejné však patrili napríklad zákazky pre NASA, pričom ich integrované obvody boli použité aj v rámci projektu Apollo a pristátia na Mesiaci.
V roku 1961 odišli z Fairchildu aj významní inžinieri David Allison, David James, Lionel Kattner a Mark Weissenstern, ktorí založili výskumné laboratórium Signetics (s financovaním Lehman Brothers). Ich čipy a polovodiče sa v nasledujúcich rokoch objavili v rôznych herných konzolách, ako Arcadia 2001 a Atari a takisto aj v počítačoch Apple I a Apple II. Mnoho ich zosilňovačov, ako napríklad NE5532 a NE5517, sa stalo základnou latkou, s ktorou bola porovnávaná všetka konkurencia, pričom ich schémy dodnes nájdeme v elektrotechnických učebniciach. Vznik Signeticsu podnietil aj vývoj ďalších polovodičových firiem, ako Exar a Interdesign.
Na konci roku 1961 odišiel z Fairchaildu aj Robert Norman, vedúci dizajnu integrovaných obvodov a spoločne so sebou zobral niekoľko ďalších dizajnérov a takisto obchodníkov firmy. Založil s nimi spoločnosť General Microelectronics, ktorá sa podobne ako Amelco a Signetics zameriavala na integrované obvody.
Robert Noyce, ktorý pod odchode z Fairchildu založil spolu s Gordonom Moorom firmu Intel, zatiaľ čo ich kolegovia zas AMD /Foto: Wayne Miller/
Pre tento exodus sa postupom času vžilo označenie „Fairchildren“, čo je anglická slovná hračka, ktorá sa dá voľne preložiť ako „deti Fairchildu“. Toto pomenovanie sa používalo pre bývalých zamestnancov tejto firmy a takisto pre nové spoločnosti, ktoré založili. V priebehu 60. a začiatkom 70. rokov minulého storočia takto vznikli firmy ako Molectro, National Semiconductor, Computer Micro-technology, Precision Monolithics, Qualdine, Advanced Memory Systems, Four-Phase Systems, IC Transducers, Synertek, Data General a ďalšie.
Významnými deťmi Fairchildu bola dvojica Robert Noyce a Gordon Moore, patriaca do pôvodnej zradcovskej osmičky, ktorá z firmy odišla v roku 1968 (spolu s kolegom Andrewom Groveom). Priamo v Mountain View, pár stoviek metrov od fabriky Fairchildu, založili svoju novú spoločnosť Intel. Tá sa pôvodne mala zaoberať hlavne vývojom a výrobou operačných pamätí (v tej dobe to bol najlukratívnejší trh polovodičov), avšak v nasledujúcich dekádach sa stala dominantným výrobcom celkom novej súčiastky v podobe mikroprocesorov (viac v článku: Neobyčajný príbeh prvého mikroprocesoru na svete).
Ďalších osem zamestnancov, na čele s elektroinžiniermi Jarrym Sandersom a Jackom Giffordom odišlo z Fairchaildu o rok neskôr a v Santa Clara založili firmu AMD, ktorá je dodnes hlavným konkurentom Intelu.
Člen pôvodnej zradcovskej osmičky, elektorinžinier Victor Grinich /Foto: Wayne Miller/
Dedičstvo Fairchildu však nevidíme len v technologických riešeniach, ale prekvapivo aj ekonomických a operačných. Jeho vznik bol totiž zároveň aj počiatkom tzv. venture kapitálu (tiež aj rizikový či rozvojový kapitál), ktorý je typický štedrým financovaním nových firiem krátko po ich založení. Ohromné úspechy a zisky z týchto postupov viedli k založeniu veľkej množstva venture investičných firiem v okolí Sanfranciského zálivu, čo vyprodukovalo masívne financie a umožnilo Silicon Valley rýchlo akcelerovať.
Týmto smerom sa vydali aj niektoré deti Fairchildu, predovšetkým Eugene Kleiner, strojný inžinier z pôvodnej zradcovskej osmičky, ktorý po odchode založil venture firmu Kleiner Perkins Caufield & Byers., ktorá sa v nasledujúcich dekádach podieľala na rannom investovaní do viac ako 300 firiem z oblasti IT a biotechniky, vrátane Amazonu, AOL, Googlu a Sun Microsystems. Ako posledný z pôvodnej zradcovskej osmičky opustil Fairchild v roku 1969 Julius Blank, ktorý sa stal konzultantom pre technologické startupy a v roku 1978 založil polovodičovú firmu Xicor.
PRÍBEHY, KTORÉ ZMENILI SVET
Tento príbeh stvoriteľov Silicon Valley rozkmital vlny po celom svete. Aj keď z pôvodnej zradcovskej osmičky dnes žije už len Jay Last (89 rokov) a Gordon Moore (90 rokov), činnosti a rozhodnutia celého tímu, ktoré sa udiali v krátkych piatich rokoch ich spolupráce, ovplyvnili svet polovodičov na ďalších 50 rokov.
Jay Last sa v predhovore knihy Makers of the Microchip (Stvoritelia mikročipu) vyjadril, že na prelome 50. a 60. rokov, nemali ani len potuchy, ako enormne sa výroba polovodičov posunie v nasledujúcich dekádach a aký gigant priemyslu sa z nej stane. Nikdy si nepredstavovali, že kremík bude aj po pol storočí stále používaným materiálom, a že aj tie najpokročilejšie výrobné fabriky, schopné akoby zázrakom produkovať miliardy tranzistorov na jednom čipe, budú stále v základe vychádzať z metód a prístupov, ktoré so svojimi kolegami vo Fairchild Semiconductor navrhli.
Hoerniho poznámky v ktorých po prvý krát navrhol planárnu konštrukciu /Foto: Computer History Museum/
„Akoby história vyzerala, keby k legendárnej zrade nedošlo?“
Akoby história vyzerala, keby k legendárnej zrade nedošlo? Čo by sa stalo, keby Shockley zostal v Bell labs a nevrátil sa domov do Kalifornie a Palo Alto a nezaložil by firmu v Mountain View? Je veľmi pravdepodobné, že podobné tranzistorové riešenia a integrované obvody by sa objavili s pár ročným meškaním od iných firiem, nakoľko technológia sa týmto smerom prirodzene uberala a fyzikálne vlastnosti jednotlivých materiálov len čakali na svoje odhalenie a využitie.
Silicon Valley, ako centrum technologického vývoja a IT sféry, ako ho poznáme dnes, by však neexistovalo.
S najväčšou pravdepodobnosťou by sme dnes hovorili nie o kremíkovom údolí, ale o kremíkových kopcoch (Silicon Hills) v Texase, v oblasti okolo mesta Austin, kde sídlil Texas Instruments. Možno by ale vznikla podobná oblasť niekde v oblasti New Jersey či Filadelfie, kde sídlili zas iné ranné polovodičové firmy. Všetko sú to pravdaže dohady a možno by to bolo celkom inak. Niekedy na obrovské zmeny naozaj stačí len to povestné mávnutie motýlích krídel.
