Его первым местом работы была фирма Centralab в Милуоки, изготавливавшая детали для электронных устройств. Там шли эксперименты по объединению элементов, используемых для слуховых аппаратов на единой керамической основе, чернового прототипа микрочипа. В 1952 году Centralab была одной из компаний, купившей за 25 тысяч долларов лицензию на производство транзисторов, и теперь выгодно использовала готовность Bell Labs поделиться знаниями. Килби прослушал в Bell Labs двухнедельный курс лекций. Вместе с десятком других слушателей, живших в отеле на Манхэттене, каждое утро на автобусе его привозили в Мюррей-Хилл. Им прочли углубленный курс по конструированию транзисторов, дали возможность поработать в лаборатории и посетить завод, изготавливающий транзисторы. Всем участникам был предоставлены три тома технической документации. Благодаря удивительной готовности Bell Labs дешево продавать лицензии на свои патенты и делиться информацией, именно там были заложены основы цифровой революции, хотя компания и не извлекла из этого максимальную выгоду.
Килби понимал: чтобы всегда быть в курсе того, как совершенствуются транзисторы, надо работать в более крупной компании. Обдумывая различные предложения, летом 1958 года он решил перейти в Texas Instruments, где ему предстояло работать с Пэтом Хаггерти и его блестящей командой, занимавшейся транзисторами под руководством Уиллиса Эдкока.
Согласно правилам, действовавшим в Texas Instruments, все сотрудники в июле одновременно уходили в отпуск на две недели. Поэтому, когда Килби, которому еще не полагался отпуск, появился в Далласе, в полупроводниковой лаборатории практически никого не было, и у него было время подумать о том, как еще, кроме как для изготовления транзисторов, можно использовать кремний.
Он знал, что кусочек кремния, в котором вообще нет примесей, работает как простое сопротивление. Он также понимал, что есть способ заставить p-n-переход в кремниевом образце действовать как емкость. Это значит, что в нем будет накапливаться небольшой электрический заряд. Фактически, обработав кремний по-разному, можно изготовить любой электронный компонент. Отсюда и появилась идея, названная впоследствии «идеей монолита»: все элементы можно сделать из одного монолитного куска кремния. А это значит, что отпадает необходимость скреплять отдельные элементы на монтажной панели. В июле 1958 года, за шесть месяцев до того, как сходные соображения были зафиксированы Нойсом, Килби оставил запись в своем лабораторном журнале. Это было всего одно предложение, которое будут цитировать, когда он получит Нобелевскую премию: «Следующие электронные компоненты можно сделать на одной плате: сопротивление, конденсатор, распределенный конденсатор, транзистор». Затем он сделал несколько набросков. Из них было понятно, как сделать эти элементы, компонуя в одном кристалле кремния различные области, в которые примеси добавлены так, что они имеют разные свойства.
Его начальника Уиллиса Эдкока, вернувшегося после отпуска, не удалось сразу убедить, что это предложение может иметь практическое значение. У лаборатории были и другие задачи, казавшиеся более важными. Но Эдкок заключил с Килби соглашение: если ему удастся сделать работающие конденсатор и сопротивление, он даст добро на создание всей схемы на одном кристалле.
Все пошло по плану, и в сентябре 1958 года Килби подготовил свое устройство для показа. По драматизму эта сцена напоминала демонстрацию, устроенную Бардином и Браттейном за одиннадцать лет до того для руководства Bell Labs. На кусочке кремня размером с небольшую зубочистку Килби разместил элементы, которые теоретически соответствовали излучателю. На глазах руководителей компании во главе с президентом нервничающий Килби присоединил небольшое устройство к осциллоскопу. Затем он взглянул на Эдкока, который пожал плечами, словно говоря: «Ничего не происходит». Но когда Килби нажал кнопку, линия на экране осциллоскопа стала волнообразно колебаться именно так, как и должна была. «Все широко заулыбались, — сообщает Рид. — Началась новая эра в электронике»[340].
Новое устройство не было уж таким изящным. В моделях, построенных Килби осенью 1958 года, оставалось большое количество тоненьких золотых проволочек, соединяющих некоторые элементы микросхемы. Все это напоминало дорогую паутинку, прицепившуюся к кремниевому прутику. Но устройства были не только уродливыми, они были непрактичными. Не было понятно, как можно их изготавливать их в большом количестве. Тем не менее это был первый микрочип.
В марте 1959 года, через несколько недель после подачи заявки на патент, Texas Instruments объявила о новом изобретении, названном «твердотельной схемой». Кроме того, на ежегодной конференции в Институте радиотехников в Нью-Йорке было торжественно продемонстрировано несколько опытных образцов. Президент компании объявил, что новое устройство станет наиболее значительным после транзистора. Это выглядело как преувеличение, но оказалось, что сказано было слишком мягко.
Для Fairchild заявление Texas Instruments прозвучало как гром среди ясного неба. Нойс, за два месяца до того набросавший собственный вариант сходной идеи, был разочарован тем, что его обошли. Он боялся конкуренции со стороны Texas Instruments.
Версия Нойса
Часто разные пути ведут к одним и тем же изобретениям. Нойс и его коллеги по Fairchild пришли к идее создания микрочипа с другой стороны. Все началось с того, что они столкнулись с неприятной проблемой: их транзисторы работали не очень хорошо. Многие выходили из строя, когда на них оседало даже небольшое количество пыли или они попадали под воздействие какого-нибудь газа. Ломались они и при резком встряхивании или толчке.
Джин Хорни — он тоже был из «вероломной восьмерки», работавшей в Fairchild, — вышел с оригинальным предложением. Поверхность кремниевого транзистора следует покрыть тонким слоем окиси кремния — как торт покрывают глазурью. Этот слой будет предохранять кремний. «Создание окисного слоя… на поверхности транзистора, — записал он в своей лабораторной тетради, — защитит переход, подвергающийся в противном случае воздействию загрязнения»[341].
Назвали этот метод «планарная технология» из-за плоского слоя оксида на поверхности кремния. Однажды утром в январе 1959 года (после того, как Килби сформулировал свои предложения, но еще до того, как был получен патент или о них было объявлено), когда Хорни принимал душ, на него снизошло еще одно «озарение»: в этом защитном слое оксида можно сделать малюсенькие окошечки, чтобы примеси могли диффундировать в необходимые, точно определенные места, гарантируя требуемые полупроводниковые свойства. Нойсу понравилась идея «сделать транзистор внутри кокона». Он сравнил ее с «организацией операционной в джунглях: надо поместить пациента в пластиковый мешок, внутри которого и проводить операцию, и так избавиться от мошкары, слетающейся на рану»[342].
Роль юристов, занимающихся патентами, состоит в том, что они должны защищать хорошие идеи. Но иногда случается, что они их стимулируют, чему примером служит планарная технология. Чтобы подготовить заявку, Нойс связался с Джоном Ролсом, юристом-патентоведом в Fairchild. А Ролс начал приставать к Хорни, Нойсу и их коллегам с вопросом: как планарную технологию можно использовать на практике? Ролс старался нащупать как можно больше возможностей использования этого устройства, чтобы все они попали в заявку на патент. Нойс вспоминает: «Ролс от нас все время требовал ответить: „Что еще можно с этим сделать, что еще должно быть защищено патентом?“»[343]
Тогда идея Хорни сводилась только к созданию надежно работающего транзистора. Им еще не пришло в голову, что планарная технология с ее крошечными окошечками, которые можно протравить на одной кремниевой пластинке, позволяет разместить на ней большое количество транзисторов разных типов и другие элементы схемы. Но настойчивые вопросы Ролса заставили Нойса задуматься. Весь январь он вместе с Муром прикидывал разные возможности, рисовал что-то на доске в своем кабинете, а затем делал короткие записи в блокноте.
Сначала Нойс сообразил, что планарная технология позволяет избавиться от торчащих из транзистора проволочек. Вместо них на поверхности слоя окисла можно пропечатать небольшие медные линии. Это ускорит производство транзисторов и сделает их надежнее. Это натолкнуло Нойса на следующую мысль: если пропечатанные медные соединения можно использовать для связи разных мест одного транзистора, ими также можно связать несколько транзисторов, помещенных на одной и той же кремниевой пластинке. Планарная технология с ее окошечками позволяет вводить примеси так, что на одной кремниевой подложке можно разместить большое число транзисторов, а пропечатанные медные проволочки должны объединить их в микросхему. Он пошел в кабинет Мура и изобразил свое предложение на доске.
Сначала Нойс сообразил, что планарная технология позволяет избавиться от торчащих из транзистора проволочек. Вместо них на поверхности слоя окисла можно пропечатать небольшие медные линии. Это ускорит производство транзисторов и сделает их надежнее. Это натолкнуло Нойса на следующую мысль: если пропечатанные медные соединения можно использовать для связи разных мест одного транзистора, ими также можно связать несколько транзисторов, помещенных на одной и той же кремниевой пластинке. Планарная технология с ее окошечками позволяет вводить примеси так, что на одной кремниевой подложке можно разместить большое число транзисторов, а пропечатанные медные проволочки должны объединить их в микросхему. Он пошел в кабинет Мура и изобразил свое предложение на доске.
Про Нойса можно было сказать, что он словоохотливый сгусток энергии, а про Мура — хотя и молчаливый, но быстро ухватывающий главное звукоотражатель. Они хорошо подыгрывали друг другу. Следующий шаг сделать было легко: на одну пластину можно поместить разные элементы, сопротивления и конденсаторы. Нойс изобразил на доске Мура, как небольшой участочек чистого кремния заставить работать как сопротивление, а через несколько дней он нарисовал кремниевый конденсатор. Тонкие металлические линии, пропечатанные на поверхности оксида, могут объединить все эти элементы в микросхему. «Я не помню, чтобы было ощущение: вспыхнула лампочка, и все сразу стало ясно, — признавался Нойс. — Это больше походило на то, что ты каждый день говорил себе: „Ну хорошо, если я могу сделать это, то, наверное, можно сделать и то, а это ведет к тому, что можно сделать и следующее“. Так в конечном итоге ты вырабатываешь стратегию действий»[344]. После этого приступа активности в январе 1959 года он сделал запись в своем журнале: «Было бы желательно изготавливать разнообразные устройства на одном кусочке кремния»[345].
Нойс пришел к идее микрочипа независимо от Килби, но на несколько месяцев позже. И пришли они к ней разными путями. Килби пытался решить задачу преодоления тирании чисел, создав схему, где не надо было бы соединять друг с другом большое число элементов. Действия Нойса были продиктованы главным образом попыткой до конца использовать все скрытые возможности планарной технологии Хорни. Было еще одно более важное практическое различие: в версии Нойса не было массы спутанных, напоминающих паутину проволочек.
Защита открытий
В истории изобретений, особенно в эпоху цифровых технологий, патенты — это неустранимые яблоки раздора. Изобретения обычно появляются в результате работы команды, и часто они основываются на чужих результатах. Это затрудняет возможность определить точно, кто автор той или иной идеи, кому принадлежит право интеллектуальной собственности. Иногда, если изобретатели добровольно соглашаются сделать результат своего творчества публичным достоянием, это счастливым образом отходит на второй план. Однако чаще новаторам требуется признание. Шокли интриговал, чтобы попасть в число авторов патента на транзистор. А иногда это бывает связано с финансовыми вопросами, особенно когда речь идет о компаниях вроде Fairchild и Texas Instruments, которые должны приносить инвесторам прибыль, чтобы иметь оборотный капитал для продолжения исследований.
В январе 1959 года юристы и руководство Texas Instruments стали предпринимать попытки зарегистрировать патентную заявку Килби на концепцию создания интегральной схемы. Это не было связано с тем, что им были известны записи в тетради Нойса. Стали распространяться слухи, что в RCA подошли к той же идее. Заявку решено было сделать развернутой и обширной. Такая стратегия была рискованной: отдельные положения такой заявки оспорить легче, что и случилось с развернутой патентной заявкой Мокли и Эккерта на компьютер. Но если такую заявку получить удается, ты становишься обладателем наступательного оружия, защищающего от всякого, кто попытается выпускать сходные изделия. В патентной заявке Килби говорилось о «новой и совершенно иной концепции миниатюризации». Хотя в заявке описывались всего две схемы Килби, там утверждалось: «Нет ограничений на сложность или конфигурацию схемы, которая может быть сделана таким образом».
Однако из-за спешки не хватило времени, чтобы представить рисунки, изображающие различные методы, которые можно использовать для соединения проволочками разных элементов микросхемы. Единственным примером была демонстрационная модель Килби, похожая на паука, завязшего в паутине, с беспорядочно торчащими из нее золотыми проволочками. Именно эту, как ее впоследствии саркастически называли, «картинку с развевающейся проволокой» команда из Texas Instruments решила использовать в качестве иллюстрации. К этому времени Килби уже понял, что устройство можно сделать проще, используя впечатанные металлические соединения. Поэтому в последний момент он обратился к своим юристам, попросив, чтобы патент защищал права и на эту идею, добавить к заявке один абзац. В нем говорилось: «Электрические соединения могут изготавливаться не только из золотой проволоки, но и другими способами. Например… на полупроводниковое основание микросхемы можно напылить окись кремния. Затем материал типа золота накладывается на изолирующий материал, образуя необходимые электрические соединения». Заявка была подана в феврале 1959 года[346].
Когда на следующий месяц Texas Instruments объявили об этом публично, Нойс и команда из Fairchild поспешили подать конкурирующую патентную заявку. Поскольку юристы Fairchild искали, что можно противопоставить всеобъемлющей заявке Texas Instruments, было решено сосредоточиться на специфических особенностях версии Нойса. Они подчеркивали, что уже поданная Fairchild патентная заявка на планарную технологию позволяет использовать метод печатания схемы, чтобы «установить электрические соединения между различными областями полупроводника» и «сделать структуру единой микросхемы более компактной и более легкой в изготовлении». В отличие от микросхем, где «электрические соединения осуществляются путем присоединения проволочек», говорилось в заявке Fairchild, «метод Нойса подразумевает, что соединительные провода возможно напылить тогда же и так же, как и сами контакты». Даже если бы Texas Instruments удалось получить патент на объединение большого числа разных элементов в одну микросхему, в Fairchild надеялись запатентовать метод изготовления соединений не с помощью проволочек, а впечатывая металлические линии. Поскольку для массового производства микросхем подобное усовершенствование было необходимо, в Fairchild понимали, что это в какой-то мере обеспечит им равноправие при патентной защите и вынудит Texas Instruments заключить сделку о перекрестном лицензировании. Заявка Fairchild была подана в июле 1959 года[347].
Как было и с патентным спором по поводу компьютеров, в случае интегральных микросхем судебной системе тоже потребовались годы, чтобы разобраться, кто и каких патентов заслуживает. Но прийти к решению так и не удалось. Конкурирующие заявки Texas Instruments и Fairchild было поручено рассмотреть двум разным экспертам, причем, похоже, они даже не имели представления друг о друге. Хотя заявка Нойса была подана позже, рассмотрели ее первой, и в апреле 1961 года она была удовлетворена. Нойс был объявлен изобретателем микрочипа — интегральной микросхемы на полупроводниковой подложке.
Юристы Texas Instruments начали дело о «приоритетном споре», утверждая, что Килби первым высказал подобную идею. Так появилось дело «Килби против Нойса», которое рассматривалось Отделом патентных споров. Чтобы определить, кто первый предложил общую концепцию создания микрочипов, изучались лабораторные журналы и другие свидетельства, хотя практически все, даже Нойс, признавали, что Килби высказал эту идею на несколько месяцев раньше. Но был еще спор о том, действительно ли заявка Килби покрывает все ключевые технологические процессы впечатывания металлических линий на поверхности оксидного слоя при изготовлении микросхемы, а не говорит просто об использовании множества металлических проволочек. Большое количество противоречащих друг другу доводов относилось к фразе, добавленной Килби в конце заявки, что такой «материал, как золото, может быть нанесен» на слой окисла. Относилось ли это к некоему конкретному процессу, открытому им, или это была только догадка, вставленная сюда на всякий случай?[348]
Спор продолжал тянуться, когда патентное ведомство спутало карты еще больше: в июне 1964 года была рассмотрена и удовлетворена исходная заявка Килби. Теперь спор о приоритете стал еще важнее. И только в феврале 1967 года был наконец вынесен вердикт в пользу Килби. Прошло восемь лет с тех пор, как он подал свою заявку, и теперь изобретателями микрочипа объявили его и Texas Instruments. Правда, на этом все не закончилось. Fairchild обжаловала это решение, и в ноябре 1969 года, заслушав все доводы и свидетельские показания, апелляционный суд по делам о таможенных пошлинах и патентах вынес другое решение. «Килби не продемонстрировал, — объявил в своем заключении апелляционный суд, — что термин „накладывается“ имел… или с тех пор приобрел в электронных и полупроводниковых технологиях значение, подразумевающее соблюдение его прав»[349]. Юристы Килби попытались подать апелляцию в Верховный суд США, но там отказались принять дело к рассмотрению.