Тем более что мы перешли уже на пластины диаметром пять сантиметров и оптики утверждали, что искажения будут минимальны, благо для контроля сферичности поверхностей применяли интереференционные методы, позволявшие визуально определить, где еще надо подшлифовать, так что на доводку одной линзы уходило не более месяца, что с учетом параллельной работы десятка постов шлифовки позволит получать нам по одной проекционной установке каждые три месяца.
Правда, тут пока были проблемы с однородностью поля засветки - если при засветке каждой микросхемы в отдельности было достаточно только одного источника света, то для целой пластины их потребуется минимум шесть - и этот свет надо как-то распределить равномерно, что пока не получалось - источники давали горбы и спады освещенности. Впрочем, была идея сделать количество источников по количеству микросхем на одной пластине - при этом горбы засветки придутся на сами элементы микросхем, а спады - на окружающие их площадки для пайки выводов - их можно будет засвечивать на менее тонких процессах.
Пока же установка была мало того с шаговой засветкой, так еще и одна, поэтому все операции выполнялись на ней с многочисленными возвратами - отлегируют каналы - и снова на засветку, теперь уже шаблонами стоков или истоков, потом отлегируют их - и обратно на засветку - уже для металлизации. Одна пластина возвращалась в эту проецирующую установку до десяти раз. Зато мы уже получали микросхемы памяти емкостью 256 бит - почти на десять килобайт в сутки, при выходе годных целых пять процентов - шла отладка технологии, и тут оптические приборы для измерения малых перемещений были очень кстати. Пока эти перемещения выполнялись вручную, но электронщики уже прикрутили и управляющую ЭВМ, отлаживая автоматизированную засветку пластин - мы начиная с апреля снизили выпуск микросхем памяти в пользу микросхем логики, чтобы ее хватило на все эти эксперименты с управляющими ЭВМ, тем более что их требовалось уже много - народ входил во вкус.
Так, тем же электронщикам управляющая ЭВМ была нужна в том числе и для проверки микросхем перед металлизацией - как я упоминал, выход годных микросхем с проектными нормами в 10 микрон поначалу был очень мал. Проблема, напомню, заключалась прежде всего в качестве монокристалических пластин - там было слишком много дефектов, и если для более "толстых" процессов они зачастую были некритичными, то для десяти микрон каверна на поверхности запросто могла перекрыть полностью весь канал - ведь в местах дислокаций все процессы происходят интенсивнее - в том числе и диффузия, и травление, и адсорбция. Это я еще молчу про неоднородность легирования кристаллов и пластин - мало того что кристаллы могли иметь разное сопротивление по длине, а значит пластины из одного кристалла также могли различаться по степени базового легирования, так еще и сами пластины могли иметь неоднородное легирование по своей поверхности - тепловые потоки в расплаве были неоднородны, и эта неоднородность приводила к неоднородности материала, присоединявшегося к растущему кристаллу - в какой-то момент подошел материал с чуть повышенным уровнем легирующих добавок, в какой-то - с чуть пониженным - и вращение тигля и кристалла, с помощью которого пытались как-то выровнять конвекционные потоки, как бы размазывало эту неоднородность по поперечному сечению. И если первый вариант неоднородности - от пластины к пластине - еще можно было выровнять изменением времени диффузионной обработки, то со вторым типом неоднородности бороться было сложно - тут уже все зависело от того, как эти неоднородности попадут на элементы транзисторов. Наши разработчики сделали тестер с массивом из двадцати пяти иголок - пять рядов по пять иголок, с шагом два миллиметра - и им измеряли сопротивление пластин в отдельных участках - и исходя из этого пытались поиграться параметрами легирования при обработке конкретной пластины, чтобы получить максимальный выход нормальных микросхем. Сплошная морока.
В любом случае - из-за всех этих дефектов любой транзистор мог оказаться нерабочим, нерабочей становилась и вся схема, в которой он участвовал. Но остальные-то транзисторы могли оказаться рабочими - все или частью. А до металлизации этого никак не узнаешь - проверки были заточены на тестирование уже готовой схемы. Микроэлектронщикам было жалко, что пропадает кропотливая работа по изготовлению самих транзисторов, и они хотели приспособить нормальные транзисторы хоть для чего-нибудь - если не для сумматоров или регистров, на которые были заточены новые проектные нормы, то хотя бы для логических элементов - все хлеб. Вот народ и начал тыкать тонкими иголками в области стока, затвора и истока, чтобы узнать - годен транзистор на что-то или нет. А потом проверял его соседа. И других соседей. И только потом принималось решение о металлизации схемы - разработчики пытались соединять готовые транзисторы, чтобы получить их них хоть что-то.
Вариантов соединений получалось слишком много, чтобы делать для всех свои схемы разводки, поэтому вскоре сделали набор из десятка масок и, сдвигая их, засвечивали участки для металлизации с наиболее перспективными элементами, которые могли бы работать в логических вентилях. Но все-равно еще много полезного просто пропадало - скажем, шаблоны рассчитаны на разводку логического элемента И-НЕ по транзисторам пять, семь и одиннадцать, а вместо одиннадцатого "здоровый" - десятый или двенадцатый. И все - пропадает целый логический вентиль. Жалко - ведь на его производство было затрачено более суток времени. Мог бы жить и работать, а так - в лучшем случае эти транзисторы будут скучать рядом со своими более удачливыми соседями по микросхеме, которые смогли объединиться в команду И-НЕ или хотя бы просто НЕ. Ну а если среди соседей также не найдется счастливчиков - выбрасывается уже вся микросхема. До выброса всей пластины дело не доходило, но частенько из двадцати микросхем пластины в корзину шло пятнадцать, а то и восемнадцать штук.
Короче - идея требовала дальнейшего развития, в строй удавалось ввести в лучшем случае треть от возможного. И тогда я подкинул идею каждый раз рисовать шаблоны для металлизации под нужную разводку - просто вспомнил про такую штуку, как БМК - базовые матричные кристаллы - это когда делались массивы транзисторов, только без разводки - и уже потом под конкретного заказчика делалась металлизация - она-то и определяла конечную функциональность схемы.
Так и сделали - все-равно надо тренировать "студентов", поэтому для каждой пластины определяли работоспособные транзисторы, под них рисовали шаблон, изготавливали его на прозрачной пленке, и затем засвечивали через него будущую разводку. Сами шаблоны рисовались на бумаге, затем переносились с уменьшением на прозрачную пленку, и уже с нее - также с уменьшением - на микросхему. Причем шаблон не выкидывали, а складывали отдельно. Через пару месяцев оказалось, что практически под каждое возможное сочетание рабочих транзисторов есть нужный шаблон разводки, и количество новых шаблонов стало сокращаться.
Правда, пришлось покумекать над поиском подходящего шаблона среди множества возможных. Ведь на одной микросхеме хватает транзисторов для нескольких десятков логических вентилей, а количество возможных соединений транзисторов в вентили подходит к десятку тысяч. Естественно, прорисовывать шаблоны для каждого из них смысла не было - слишком большой объем вариантов. Поэтому транзисторы разбивались на группы - как правило 16х8 транзисторов, в каждой группе транзисторы получали порядковые номера и таким образом группа характеризовалась 128-битовой маской хороших-плохих транзисторов. И такую же маску получали и шаблоны, точнее - цифровые "заготовки" для отдельных участков. Есть заготовка - она участвует в отрисовке шаблона для данной микросхемы, нет заготовки - делают разводку, присваивают ей битовую маску - уникальный номер - и уже она участвует в отрисовке общего шаблона. И, подобрав для каждого участка нужный шаблон - рисовали общий шаблон. Ну, если его еще нет - порой маски почти совпадали, поэтому, чтобы не тратить время на новый шаблон, использовали один из наиболее подходящих - при этом ряд элементов был заведомо неработоспособным, либо наоборот терялись хорошие транзисторы - потери были неизбежны, но тут и принудительное разбиение на участки само по себе приводило к потерям транзисторов на границах этих участков. Уже летом на этой работе было занято пять ЭВМ для подбора шаблонов и более двух сотен схемотехников - народ учился "на кошках", заодно нарабатывая новые ЭВМ, причем не только для себя.
И люди все больше входили во вкус автоматизированного проектирования. Был разработан плоттер, который рисовал шаблоны на бумаге на основе команд, заложенных в памяти ЭВМ. Набор перемещений был ограниченным - только вперед-назад, вправо-влево и по диагонали, что порой требовало замысловатых перемещений, если нужный транзистор находился не точно по этим направлениям и к нему требовалось вести дорожку, состоявшую из нескольких колен. Дело усугублялось еще и неравномерным размещением самих транзисторов, поэтому перекомпоновали изначальную схему, разместив транзисторы по сетке - это несколько уменьшило занимаемую ими полезную площадь, зато упростило проектирование шаблонов разводки, хотя и не избавило полностью от "коленчатых" дорожек. Ну и ладно.
А попутно автоматизировали и процессы тестирования транзисторов, и установку шаблонов. И все - на базе дифракционных решеток - с их помощью и измеряли перемещения, и ставили метки, по которым выравнивали инструменты относительно подложки и подложки относительно шаблонов. А то подводить тестеры вручную, опускать иголки, подавать напряжение - и так для каждого транзистора - было очень муторным делом, на проверку одной пластины - всех ее тысяч транзисторов - уходило до двух недель, благо что учеников хватало и их надо было тренировать в точном позиционировании - вот они и портили глаза, следя в окуляры микроскопов за перемещением дифракционных полос и углублениями в поверхности пластины. Уже на третий день они сами и разработали схему перемещений, которая могла отслеживать положение щупа, так что теперь оставалось только сориентировать саму пластину, выставить ноль, а дальше можно было вращать рукоятки подачи и схема сама считала импульсы от пробегающих полос, по ним вычисляла положение щупов и даже отображала координаты на круговых индикаторах. Собственно, ученики просто взяли оборудование от проекционных станков. Ну а дальше она развивалась - сбоку прикрутили сначала простенькую управляющую схему, которая считывала с перфоленты координаты очередного транзистора, подводила к нему щупы, подавала отпирающее и затем запирающее напряжения и считывала выходной сигнал - реагирует ли транзистор на вход или же вместо нормальной работы стабильно выдает один и тот же результат. Проверка транзисторов существенно ускорилась - вместо двух недель пластину можно было просканировать за сутки, и на выходе получали длинную битовую маску, которая содержала результаты тестирования всех транзисторов - и уже ее разбивали на группы. Попытки поставить матрицу щупов сначала натолкнулись на тепловые деформации - они слегка раздвигали держатели иголок, так что те переставали опускаться на места, где были выходы транзисторов - просто промахивались, а то и попадали в соседей. Пришлось встраивать в многопозиционный щуп отдельные дифракционные решетки, с помощью которых измерялась тепловая деформация, а для ее компенсации добавили пьезоэлементы, которыми можно было отжать ушедшие иголки обратно. В итоге площадка размером пять на пять сантиметров содержала двадцать пять трехэлектродных щупов, пять пар дифракционных решеток и шестнадцать пьезоэлементов - и с ее помощью за одно "прицеливание" можно было оттестировать сетку сразу из двадцати пяти транзисторов, расположенных на соседних микросхемах - решетка сканировала "сетку" транзисторов, затем сдвигалась на один транзистор к следующей "сетке" и так далее, пока не досканировала всю линейку, затем сдвигалась на один транзистор вправо и снова сканировала сетки со сдвигом уже назад - в обратном направлении. Затем следующий ряд, следующий - на сканирование одной пластины уходило уже три часа.
По сравнению с этой микромашинерией автоматическая установка шаблонов была плевым делом - там и требовалось-то взять кассету с шаблоном, воткнуть ее в щель аппарата и затем подвигать-повертеть, чтобы совпали фигуры ориентации, что находились как на стекле проекционного аппарата, так и на шаблоне. Правда, сами фигуры пришлось переделать под машинный поиск - если до этого оператор вполне мог определить все эти кресты и косые линии, что должны были уместиться друг в друге, то машина пока не умела распознавать сложные фигуры, поэтому их заменили на наборы небольших прямоугольников, и если они переставали пропускать свет через микроскоп на матрицы фотоэлементов, значит - шаблон установлен ровно. Разве что на каждый "квадрат" пришлось все-таки ставить по четыре фотоэлемента и маскировать их входными отверстиями, чтобы определить - а куда собственно надо двигать шаблон, чтобы его квадраты перекрыли отверстия. В итоге, хотя поначалу и пытались решить проблему схемой на жесткой логике, но в конце концов поставили нормальную ЭВМ, которая и решала эти задачи - слишком сложным получались алгоритмы - там ведь по сути сделали первую систему распознавания изображений. Ее же потом применили и для автоматизированной установки пластин в проекционном аппарате, только для пластин сделали окраску площадок люминофором, чтобы видеть под УФ-лучами - там ведь не сделаешь прозрачные квадраты, да и сами пометки должны пережить все технологические процессы - не только нанесение фоторезиста, но и его сушку, смывку, легирование при высоких температурах - сохранить пометку пока удалось только при работе через люминофоры и ультрафиолет, да и то - во все шаблоны пришлось встраивать площадки, которые защищали эти площадки с установочными элементами, иначе защитная пленка оксида кремния смылась бы при первом же открытии окон для диффузии или контактов. Правда, чтобы все совпадало, отметки на шаблонах и на пластинах пока делались только на одном и том же аппарате, предназначенном только для данной проекционной установки - над переносимостью отметок между аппаратами еще предстояло потрудиться, и, что самое плохое - пока было непонятно, как это сделать. Так что для каждой проекционной установки делались свои фотошаблоны, и пластины могли засвечиваться только в конкретной установке, для другой установки приходилось рисовать свои фотошаблоны, несмотря на ту же самую схемотехнику - масштабирование и гибкость производства были под вопросом.
Забегая вперед, отмечу, что в итоге вся эта вакханалия с рисованием шаблонов привела к тому, что в конце ноября мне продемонстрировали первый "процессор на чипе". Точнее - "на пластине" - они просто соединили все нормальные блоки пластины в общую схему - и вуаля! - процессор !!! Уникальный и неповторимый, так как сложно было представить, что на других пластинах окажется такое же распределение рабочих транзисторов. С другой стороны - ничего удивительного - техпроцесс в 10 микрон позволял разместить на одной микросхеме пятьсот транзисторов - мы и затачивали их на изготовление прежде всего широких сумматоров, умножителей и регистровых банков, ну и микросхем динамического ОЗУ - памяти мало не бывает. Двадцать микросхем одной пластины - это уже десять тысяч транзисторов - а это размерности не слишком сложных 16-битных процессоров - у нас, собственно, такие и были, только собирались они на рассыпухе. Ну а тут - прозвонили транзисторы, определили годные - и нарисовали схему разводки под эту конкретную пластину. Ну разве что рабочих регистров было всего двенадцать из шестнадцати, положенных нашей архитектуре ЦПУ - часть пришлось задействовать на логику и дешифраторы. Зато частота была несколько мегагерц.
Более того - для пластин создали шаблоны, которые не содержали внутренних контактных площадок, необходимых только если пластина потом будет разделяться на отдельные микросхемы - за счет этого максимальное количество транзисторов выросло в два раза - уже двадцать тысяч. Процессор и немного памяти. Или конвейерный ускоритель вычислений с регистрами. На одной пластине. Быстродействующий. Ну, как минимум по количеству транзисторов - все-равно одна такая схема делалась минимум неделю, все из-за необходимости каждый раз делать новую разводку и новые шаблоны. Конечно, в основном разводка повторялась, но какие-то детали были различными. Ну и ладно - зато народ активно тренировался проектировать схемы. Более того - разработчики уже начали составлять какие-то алгоритмы для автоматизации прокладки межсоединений - авось года через два получат уже автоматизированную систему проектирования. Вот тогда заживем ! Впрочем, попутно они старались выправить косяки аппаратуры. Так, при поисках работоспособных транзисторов нашли несколько участков, которые стабильно выдавали испорченные приборы. Из-за чего это происходило, было неизвестно - грешили на оптику, но для ряда участков тестовые растры проходили без искажений. Так что пока просто переделали схемотехнику - перестали размещать там транзисторы, ну и учли особенности данной проекционной системы в алгоритмах поиска работоспособных транзисторов и трассировки разводки. И еще в паре участков были оптические искажения - в одном месте изображение двоилось, в другом - изгибалось. Как побороть задвоение, мы пока не придумали, а вот искривление обошли очень элегантно - просто стали рисовать на шаблонах "кривые" участки - и они своей кривизной исправляли кривизну оптики. Из имеющейся техники старались выжать по максимуму. И, хотя все эти шаблоны становились заточенными под конкретный проекционный аппарат со всеми его закидонами и потому неприменимы к другим аппаратам, но зато постепенная автоматизация, и - более того - наработка опыта - будут применимы и к другим аппаратам. А человеческий ресурс для нас был самым важным.
Всего же на исследованиях в области микроэлектроники и в проектировании схем сейчас работало более пяти тысяч специалистов - и это не считая вспомогательного персонала и производств, которые изготовляли аппаратуру - с ними было порядка пятнадцати тысяч человек. На западе пионеры полупроводниковой индустрии имели на порядки меньше людей - Fairchild Semiconductor была образована пресловутой "вероломной восьмеркой" - ушедшими от Шокли специалистами числом в эти самые восемь человек, Intel еще и в начале семидесятых имела всего сотню сотрудников - на все про все, и при этом уже создала восьмибитный процессор. Так что у нас по сути было около пятидесяти Интелов. Да у нас одних только установок выращивания монокристаллов по методу Чохральского было уже шестьдесят штук ! При вытягивании со скоростью, скажем, пять миллиметров в минуту, они выдадут в час 18 (восемнадцать !) метров (ха!) монокристаллов диаметром от трех до десяти сантиметров ! Правда, на производство работало примерно с десяток установок, а остальные использовались для исследований - более сотни команд по три-пять человек днями и ночами вытягивали монокристаллы на разных режимах и затем смотрели что получалось. И, если мы пойдем такими же темпами, то к середине пятидесятых мы сможем получить что-то типа Макинтошей, не говоря уж об Apple-II или - держите меня ! - Спектрума. Впрочем, уже и сейчас начинались опыты с графикой - те же разработчики шаблонов очень хотели в интерактиве отлаживать разводку, поэтому корпели над графическим монитором - пока с разрешением всего 128х128, однобитным - в промежуточный буфер на сдвиговых регистрах считывалось полстроки - 8 байт, и пока она выводилась на экран, во второй буфер считывалась вторая половина - иначе быстродействия видео-ОЗУ хоть и хватало, но впритык. Пусть тренируются - четыре килобайта для такого дела уже не жалко, благо что я сам им и подкинул такую идейку - просто как-то спросил "А чего вы на бумаге-то все чертите ?" - и потом часа три рассказывал про графику - что это такое и с чем ее едят.
В общем, вся эта автоматизация производственных и исследовательских процессов на основе управляющих ЭВМ исходила именно от микроэлектронщиков - они, как люди наиболее приближенные к производству микросхем, могли иметь их почти в неограниченном количестве - прежде всего за счет ввода в строй микросхем, не подпадающих под запланированные нормы - либо по быстродействию, либо по топологии - поэтому они могли паять из них довольно сложные схемы, ускорявшие выполнение операций - как схемы управления, так и схемы АЛУ - и на основе этого базиса развивать подходы в автоматизации.
И уже от микроэлектронщиков цифровое управление начинало перетекать к тем же станочникам - ведь последние владели методами точного изготовления изделий из металла, поэтому именно они делали множество аппаратуры для микроэлектроники, соответственно, они и видели что нового появляется у микроэлектронщиков, и плотно с ними общались - и естественно, что станочникам тоже хотелось более гибких и более точных инструментов для своей работы, и так как сами микроэлектронщики были заинтересованы в быстром и точном изготовлении их приборов, они с энтузиазмом включались в работы по цифровизации станков.
Я-то планировал, что эти процессы пока будут происходить только внутри микроэлектронщиков, так как предполагал, что цифровых схем просто не хватит на всех, но раз народ сам изъявил желание создавать такие конструкции, да к тому же за счет внепланового "железа" - у меня возражений не было, и даже наоборот - по сведениям, предоставленными расчетчиками трудоемкости работ, уже в сентябре сорок третьего микроэлектонщики вышли в плюс от такого сотрудничества, получив досрочно три новых автоматизированных прибора по исследованию фоторезистов - трудоемкость, которая была затрачена на изготовление нестандартных микросхем из брака, хотя и несколько просадила показатели производительности труда начиная с конца весны, но по расчетам уже в октябре все это будет скомпенсировано за счет этих трех установок и затем начиная с ноября будет только плюс.
Так что экономистам предстояло поломать голову над тем, как бы утилизировать быстрый рост таких "плюсов" и вместе с тем не зарубить на корню инициативу - народ ведь рисковал в том числе и своей зарплатой, когда взялся за изготовление микросхем на базе неликвида, и просадок не было только потому, что я прокредитовал лаборатории из своих личных фондов, образовавшихся за счет внедрения инноваций и рацпредложений (то есть честно стянутых из моего времени идей, которые прорабатывались и внедрялись уже местными исследователями). Да, это была мало того что безналичка, так и вообще не деньги, а расчетные баллы - но и они в итоге могли быть частично конвертированы в деньги, а большей частью - в такие же баллы, если дело в итоге выгорит. У микроэлектронщиков "выгорело", поэтому после возврата мне "кредита" они будут получать уже свои баллы - и тут надо было придумать что-то такое, чтобы люди не почивали на лаврах и далее, а продолжал развивать производство.
Конечно, это был не единичный эпизод, поэтому мы уже прорабатывали несколько вариантов - тут и постепенное уменьшение выдаваемых за инновации баллов, и сгорание баллов с течением времени - об этом я писал и ранее - сложность была в расчетах - за какие работы с какой скоростью все это должно уменьшаться и сгорать. И должно ли вообще. Так что пока ничего не уменьшалось и не сгорало - шло "первоначальное накопление капитала", но только в коммунистическом варианте - не в виде денег, а в виде предоставляемых накопленными баллами возможностей самостоятельного промышленного и научного творчества. И продлится это как минимум до конца войны, да и на послевоенное время были задумки регулировать с помощью таких преференций какие-то направления, которые будут важны в конкретную, скажем, пятилетку. Или десятилетку. Или столетку - надо будет вырабатывать механизмы согласования этих параметров. Еще бы понимать - с кем именно.
А у станочников уже проходила первая фаза знакомства с новой технологией - становились понятны ее ограничения, люди приходили к мысли, что ЧПУ - это вовсе не палочка-выручалочка, с помощью которой можно сделать все что угодно. Так, при протачивании конусов на них появляются волнистости - ведь приводу надо двигаться вдоль детали и одновременно сдвигать инструмент - и так как сдвиг выполняется по шагам, то есть дискретно, то и возникает волнистость. И уменьшением дискретности пока исправить не получалось, так что сейчас добавили поворотный суппорт со своим двигателем - суппорт поворачивался на нужный угол - скажем, на угол требующийся для конуса - и затем обрабатывал его своей продольной подачей, тогда как основная продольная подача оставалась неподвижной. Таким образом мы снова стали обрабатывать деталь прямолинейным движением - волнистость ушла, хотя добавились погрешности поворота этой новой продольной подачи, да и новый двигатель - тоже добавился, что усложнило конструкцию и габариты суппорта - и эту увеличенную массу требовалось учитывать при быстрых перемещениях - либо ставить более мощный двигатель либо ограничивать скорость, а также потребовалось учитывать и габариты новой продольной подачи и ее двигателя - не всегда можно было ее повернуть так, чтобы не упереться в части детали.
Но для обтачивания, скажем, круговых поверхностей, потребовалось создавать другие специальные подачи - подачи кругового движения. Поначалу-то мы попытались использовать ту малую продольную подачу, что сделали для конусов - аппроксимировали окружность несколькими короткими прямыми, которые протачивались малой продольной подачей. Не фонтан. Снова цифра пасовала перед обычной механикой, снова требовался отдельный механизм, причем специальный - под конкретный вид подачи - "круговой", как в предыдущем примере был свой вид подачи - "прямолинейный под углом к оси вращения". То есть для некоторых видов поверхностей нарисовались свои отдельные механизмы. И дальше мысли станочников завертелись:
Тем более что мы перешли уже на пластины диаметром пять сантиметров и оптики утверждали, что искажения будут минимальны, благо для контроля сферичности поверхностей применяли интереференционные методы, позволявшие визуально определить, где еще надо подшлифовать, так что на доводку одной линзы уходило не более месяца, что с учетом параллельной работы десятка постов шлифовки позволит получать нам по одной проекционной установке каждые три месяца.
Правда, тут пока были проблемы с однородностью поля засветки - если при засветке каждой микросхемы в отдельности было достаточно только одного источника света, то для целой пластины их потребуется минимум шесть - и этот свет надо как-то распределить равномерно, что пока не получалось - источники давали горбы и спады освещенности. Впрочем, была идея сделать количество источников по количеству микросхем на одной пластине - при этом горбы засветки придутся на сами элементы микросхем, а спады - на окружающие их площадки для пайки выводов - их можно будет засвечивать на менее тонких процессах.
Пока же установка была мало того с шаговой засветкой, так еще и одна, поэтому все операции выполнялись на ней с многочисленными возвратами - отлегируют каналы - и снова на засветку, теперь уже шаблонами стоков или истоков, потом отлегируют их - и обратно на засветку - уже для металлизации. Одна пластина возвращалась в эту проецирующую установку до десяти раз. Зато мы уже получали микросхемы памяти емкостью 256 бит - почти на десять килобайт в сутки, при выходе годных целых пять процентов - шла отладка технологии, и тут оптические приборы для измерения малых перемещений были очень кстати. Пока эти перемещения выполнялись вручную, но электронщики уже прикрутили и управляющую ЭВМ, отлаживая автоматизированную засветку пластин - мы начиная с апреля снизили выпуск микросхем памяти в пользу микросхем логики, чтобы ее хватило на все эти эксперименты с управляющими ЭВМ, тем более что их требовалось уже много - народ входил во вкус.
Так, тем же электронщикам управляющая ЭВМ была нужна в том числе и для проверки микросхем перед металлизацией - как я упоминал, выход годных микросхем с проектными нормами в 10 микрон поначалу был очень мал. Проблема, напомню, заключалась прежде всего в качестве монокристалических пластин - там было слишком много дефектов, и если для более "толстых" процессов они зачастую были некритичными, то для десяти микрон каверна на поверхности запросто могла перекрыть полностью весь канал - ведь в местах дислокаций все процессы происходят интенсивнее - в том числе и диффузия, и травление, и адсорбция. Это я еще молчу про неоднородность легирования кристаллов и пластин - мало того что кристаллы могли иметь разное сопротивление по длине, а значит пластины из одного кристалла также могли различаться по степени базового легирования, так еще и сами пластины могли иметь неоднородное легирование по своей поверхности - тепловые потоки в расплаве были неоднородны, и эта неоднородность приводила к неоднородности материала, присоединявшегося к растущему кристаллу - в какой-то момент подошел материал с чуть повышенным уровнем легирующих добавок, в какой-то - с чуть пониженным - и вращение тигля и кристалла, с помощью которого пытались как-то выровнять конвекционные потоки, как бы размазывало эту неоднородность по поперечному сечению. И если первый вариант неоднородности - от пластины к пластине - еще можно было выровнять изменением времени диффузионной обработки, то со вторым типом неоднородности бороться было сложно - тут уже все зависело от того, как эти неоднородности попадут на элементы транзисторов. Наши разработчики сделали тестер с массивом из двадцати пяти иголок - пять рядов по пять иголок, с шагом два миллиметра - и им измеряли сопротивление пластин в отдельных участках - и исходя из этого пытались поиграться параметрами легирования при обработке конкретной пластины, чтобы получить максимальный выход нормальных микросхем. Сплошная морока.
В любом случае - из-за всех этих дефектов любой транзистор мог оказаться нерабочим, нерабочей становилась и вся схема, в которой он участвовал. Но остальные-то транзисторы могли оказаться рабочими - все или частью. А до металлизации этого никак не узнаешь - проверки были заточены на тестирование уже готовой схемы. Микроэлектронщикам было жалко, что пропадает кропотливая работа по изготовлению самих транзисторов, и они хотели приспособить нормальные транзисторы хоть для чего-нибудь - если не для сумматоров или регистров, на которые были заточены новые проектные нормы, то хотя бы для логических элементов - все хлеб. Вот народ и начал тыкать тонкими иголками в области стока, затвора и истока, чтобы узнать - годен транзистор на что-то или нет. А потом проверял его соседа. И других соседей. И только потом принималось решение о металлизации схемы - разработчики пытались соединять готовые транзисторы, чтобы получить их них хоть что-то.
Вариантов соединений получалось слишком много, чтобы делать для всех свои схемы разводки, поэтому вскоре сделали набор из десятка масок и, сдвигая их, засвечивали участки для металлизации с наиболее перспективными элементами, которые могли бы работать в логических вентилях. Но все-равно еще много полезного просто пропадало - скажем, шаблоны рассчитаны на разводку логического элемента И-НЕ по транзисторам пять, семь и одиннадцать, а вместо одиннадцатого "здоровый" - десятый или двенадцатый. И все - пропадает целый логический вентиль. Жалко - ведь на его производство было затрачено более суток времени. Мог бы жить и работать, а так - в лучшем случае эти транзисторы будут скучать рядом со своими более удачливыми соседями по микросхеме, которые смогли объединиться в команду И-НЕ или хотя бы просто НЕ. Ну а если среди соседей также не найдется счастливчиков - выбрасывается уже вся микросхема. До выброса всей пластины дело не доходило, но частенько из двадцати микросхем пластины в корзину шло пятнадцать, а то и восемнадцать штук.
Короче - идея требовала дальнейшего развития, в строй удавалось ввести в лучшем случае треть от возможного. И тогда я подкинул идею каждый раз рисовать шаблоны для металлизации под нужную разводку - просто вспомнил про такую штуку, как БМК - базовые матричные кристаллы - это когда делались массивы транзисторов, только без разводки - и уже потом под конкретного заказчика делалась металлизация - она-то и определяла конечную функциональность схемы.
Так и сделали - все-равно надо тренировать "студентов", поэтому для каждой пластины определяли работоспособные транзисторы, под них рисовали шаблон, изготавливали его на прозрачной пленке, и затем засвечивали через него будущую разводку. Сами шаблоны рисовались на бумаге, затем переносились с уменьшением на прозрачную пленку, и уже с нее - также с уменьшением - на микросхему. Причем шаблон не выкидывали, а складывали отдельно. Через пару месяцев оказалось, что практически под каждое возможное сочетание рабочих транзисторов есть нужный шаблон разводки, и количество новых шаблонов стало сокращаться.
Правда, пришлось покумекать над поиском подходящего шаблона среди множества возможных. Ведь на одной микросхеме хватает транзисторов для нескольких десятков логических вентилей, а количество возможных соединений транзисторов в вентили подходит к десятку тысяч. Естественно, прорисовывать шаблоны для каждого из них смысла не было - слишком большой объем вариантов. Поэтому транзисторы разбивались на группы - как правило 16х8 транзисторов, в каждой группе транзисторы получали порядковые номера и таким образом группа характеризовалась 128-битовой маской хороших-плохих транзисторов. И такую же маску получали и шаблоны, точнее - цифровые "заготовки" для отдельных участков. Есть заготовка - она участвует в отрисовке шаблона для данной микросхемы, нет заготовки - делают разводку, присваивают ей битовую маску - уникальный номер - и уже она участвует в отрисовке общего шаблона. И, подобрав для каждого участка нужный шаблон - рисовали общий шаблон. Ну, если его еще нет - порой маски почти совпадали, поэтому, чтобы не тратить время на новый шаблон, использовали один из наиболее подходящих - при этом ряд элементов был заведомо неработоспособным, либо наоборот терялись хорошие транзисторы - потери были неизбежны, но тут и принудительное разбиение на участки само по себе приводило к потерям транзисторов на границах этих участков. Уже летом на этой работе было занято пять ЭВМ для подбора шаблонов и более двух сотен схемотехников - народ учился "на кошках", заодно нарабатывая новые ЭВМ, причем не только для себя.
И люди все больше входили во вкус автоматизированного проектирования. Был разработан плоттер, который рисовал шаблоны на бумаге на основе команд, заложенных в памяти ЭВМ. Набор перемещений был ограниченным - только вперед-назад, вправо-влево и по диагонали, что порой требовало замысловатых перемещений, если нужный транзистор находился не точно по этим направлениям и к нему требовалось вести дорожку, состоявшую из нескольких колен. Дело усугублялось еще и неравномерным размещением самих транзисторов, поэтому перекомпоновали изначальную схему, разместив транзисторы по сетке - это несколько уменьшило занимаемую ими полезную площадь, зато упростило проектирование шаблонов разводки, хотя и не избавило полностью от "коленчатых" дорожек. Ну и ладно.
А попутно автоматизировали и процессы тестирования транзисторов, и установку шаблонов. И все - на базе дифракционных решеток - с их помощью и измеряли перемещения, и ставили метки, по которым выравнивали инструменты относительно подложки и подложки относительно шаблонов. А то подводить тестеры вручную, опускать иголки, подавать напряжение - и так для каждого транзистора - было очень муторным делом, на проверку одной пластины - всех ее тысяч транзисторов - уходило до двух недель, благо что учеников хватало и их надо было тренировать в точном позиционировании - вот они и портили глаза, следя в окуляры микроскопов за перемещением дифракционных полос и углублениями в поверхности пластины. Уже на третий день они сами и разработали схему перемещений, которая могла отслеживать положение щупа, так что теперь оставалось только сориентировать саму пластину, выставить ноль, а дальше можно было вращать рукоятки подачи и схема сама считала импульсы от пробегающих полос, по ним вычисляла положение щупов и даже отображала координаты на круговых индикаторах. Собственно, ученики просто взяли оборудование от проекционных станков. Ну а дальше она развивалась - сбоку прикрутили сначала простенькую управляющую схему, которая считывала с перфоленты координаты очередного транзистора, подводила к нему щупы, подавала отпирающее и затем запирающее напряжения и считывала выходной сигнал - реагирует ли транзистор на вход или же вместо нормальной работы стабильно выдает один и тот же результат. Проверка транзисторов существенно ускорилась - вместо двух недель пластину можно было просканировать за сутки, и на выходе получали длинную битовую маску, которая содержала результаты тестирования всех транзисторов - и уже ее разбивали на группы. Попытки поставить матрицу щупов сначала натолкнулись на тепловые деформации - они слегка раздвигали держатели иголок, так что те переставали опускаться на места, где были выходы транзисторов - просто промахивались, а то и попадали в соседей. Пришлось встраивать в многопозиционный щуп отдельные дифракционные решетки, с помощью которых измерялась тепловая деформация, а для ее компенсации добавили пьезоэлементы, которыми можно было отжать ушедшие иголки обратно. В итоге площадка размером пять на пять сантиметров содержала двадцать пять трехэлектродных щупов, пять пар дифракционных решеток и шестнадцать пьезоэлементов - и с ее помощью за одно "прицеливание" можно было оттестировать сетку сразу из двадцати пяти транзисторов, расположенных на соседних микросхемах - решетка сканировала "сетку" транзисторов, затем сдвигалась на один транзистор к следующей "сетке" и так далее, пока не досканировала всю линейку, затем сдвигалась на один транзистор вправо и снова сканировала сетки со сдвигом уже назад - в обратном направлении. Затем следующий ряд, следующий - на сканирование одной пластины уходило уже три часа.
По сравнению с этой микромашинерией автоматическая установка шаблонов была плевым делом - там и требовалось-то взять кассету с шаблоном, воткнуть ее в щель аппарата и затем подвигать-повертеть, чтобы совпали фигуры ориентации, что находились как на стекле проекционного аппарата, так и на шаблоне. Правда, сами фигуры пришлось переделать под машинный поиск - если до этого оператор вполне мог определить все эти кресты и косые линии, что должны были уместиться друг в друге, то машина пока не умела распознавать сложные фигуры, поэтому их заменили на наборы небольших прямоугольников, и если они переставали пропускать свет через микроскоп на матрицы фотоэлементов, значит - шаблон установлен ровно. Разве что на каждый "квадрат" пришлось все-таки ставить по четыре фотоэлемента и маскировать их входными отверстиями, чтобы определить - а куда собственно надо двигать шаблон, чтобы его квадраты перекрыли отверстия. В итоге, хотя поначалу и пытались решить проблему схемой на жесткой логике, но в конце концов поставили нормальную ЭВМ, которая и решала эти задачи - слишком сложным получались алгоритмы - там ведь по сути сделали первую систему распознавания изображений. Ее же потом применили и для автоматизированной установки пластин в проекционном аппарате, только для пластин сделали окраску площадок люминофором, чтобы видеть под УФ-лучами - там ведь не сделаешь прозрачные квадраты, да и сами пометки должны пережить все технологические процессы - не только нанесение фоторезиста, но и его сушку, смывку, легирование при высоких температурах - сохранить пометку пока удалось только при работе через люминофоры и ультрафиолет, да и то - во все шаблоны пришлось встраивать площадки, которые защищали эти площадки с установочными элементами, иначе защитная пленка оксида кремния смылась бы при первом же открытии окон для диффузии или контактов. Правда, чтобы все совпадало, отметки на шаблонах и на пластинах пока делались только на одном и том же аппарате, предназначенном только для данной проекционной установки - над переносимостью отметок между аппаратами еще предстояло потрудиться, и, что самое плохое - пока было непонятно, как это сделать. Так что для каждой проекционной установки делались свои фотошаблоны, и пластины могли засвечиваться только в конкретной установке, для другой установки приходилось рисовать свои фотошаблоны, несмотря на ту же самую схемотехнику - масштабирование и гибкость производства были под вопросом.
Забегая вперед, отмечу, что в итоге вся эта вакханалия с рисованием шаблонов привела к тому, что в конце ноября мне продемонстрировали первый "процессор на чипе". Точнее - "на пластине" - они просто соединили все нормальные блоки пластины в общую схему - и вуаля! - процессор !!! Уникальный и неповторимый, так как сложно было представить, что на других пластинах окажется такое же распределение рабочих транзисторов. С другой стороны - ничего удивительного - техпроцесс в 10 микрон позволял разместить на одной микросхеме пятьсот транзисторов - мы и затачивали их на изготовление прежде всего широких сумматоров, умножителей и регистровых банков, ну и микросхем динамического ОЗУ - памяти мало не бывает. Двадцать микросхем одной пластины - это уже десять тысяч транзисторов - а это размерности не слишком сложных 16-битных процессоров - у нас, собственно, такие и были, только собирались они на рассыпухе. Ну а тут - прозвонили транзисторы, определили годные - и нарисовали схему разводки под эту конкретную пластину. Ну разве что рабочих регистров было всего двенадцать из шестнадцати, положенных нашей архитектуре ЦПУ - часть пришлось задействовать на логику и дешифраторы. Зато частота была несколько мегагерц.
Более того - для пластин создали шаблоны, которые не содержали внутренних контактных площадок, необходимых только если пластина потом будет разделяться на отдельные микросхемы - за счет этого максимальное количество транзисторов выросло в два раза - уже двадцать тысяч. Процессор и немного памяти. Или конвейерный ускоритель вычислений с регистрами. На одной пластине. Быстродействующий. Ну, как минимум по количеству транзисторов - все-равно одна такая схема делалась минимум неделю, все из-за необходимости каждый раз делать новую разводку и новые шаблоны. Конечно, в основном разводка повторялась, но какие-то детали были различными. Ну и ладно - зато народ активно тренировался проектировать схемы. Более того - разработчики уже начали составлять какие-то алгоритмы для автоматизации прокладки межсоединений - авось года через два получат уже автоматизированную систему проектирования. Вот тогда заживем ! Впрочем, попутно они старались выправить косяки аппаратуры. Так, при поисках работоспособных транзисторов нашли несколько участков, которые стабильно выдавали испорченные приборы. Из-за чего это происходило, было неизвестно - грешили на оптику, но для ряда участков тестовые растры проходили без искажений. Так что пока просто переделали схемотехнику - перестали размещать там транзисторы, ну и учли особенности данной проекционной системы в алгоритмах поиска работоспособных транзисторов и трассировки разводки. И еще в паре участков были оптические искажения - в одном месте изображение двоилось, в другом - изгибалось. Как побороть задвоение, мы пока не придумали, а вот искривление обошли очень элегантно - просто стали рисовать на шаблонах "кривые" участки - и они своей кривизной исправляли кривизну оптики. Из имеющейся техники старались выжать по максимуму. И, хотя все эти шаблоны становились заточенными под конкретный проекционный аппарат со всеми его закидонами и потому неприменимы к другим аппаратам, но зато постепенная автоматизация, и - более того - наработка опыта - будут применимы и к другим аппаратам. А человеческий ресурс для нас был самым важным.
Всего же на исследованиях в области микроэлектроники и в проектировании схем сейчас работало более пяти тысяч специалистов - и это не считая вспомогательного персонала и производств, которые изготовляли аппаратуру - с ними было порядка пятнадцати тысяч человек. На западе пионеры полупроводниковой индустрии имели на порядки меньше людей - Fairchild Semiconductor была образована пресловутой "вероломной восьмеркой" - ушедшими от Шокли специалистами числом в эти самые восемь человек, Intel еще и в начале семидесятых имела всего сотню сотрудников - на все про все, и при этом уже создала восьмибитный процессор. Так что у нас по сути было около пятидесяти Интелов. Да у нас одних только установок выращивания монокристаллов по методу Чохральского было уже шестьдесят штук ! При вытягивании со скоростью, скажем, пять миллиметров в минуту, они выдадут в час 18 (восемнадцать !) метров (ха!) монокристаллов диаметром от трех до десяти сантиметров ! Правда, на производство работало примерно с десяток установок, а остальные использовались для исследований - более сотни команд по три-пять человек днями и ночами вытягивали монокристаллы на разных режимах и затем смотрели что получалось. И, если мы пойдем такими же темпами, то к середине пятидесятых мы сможем получить что-то типа Макинтошей, не говоря уж об Apple-II или - держите меня ! - Спектрума. Впрочем, уже и сейчас начинались опыты с графикой - те же разработчики шаблонов очень хотели в интерактиве отлаживать разводку, поэтому корпели над графическим монитором - пока с разрешением всего 128х128, однобитным - в промежуточный буфер на сдвиговых регистрах считывалось полстроки - 8 байт, и пока она выводилась на экран, во второй буфер считывалась вторая половина - иначе быстродействия видео-ОЗУ хоть и хватало, но впритык. Пусть тренируются - четыре килобайта для такого дела уже не жалко, благо что я сам им и подкинул такую идейку - просто как-то спросил "А чего вы на бумаге-то все чертите ?" - и потом часа три рассказывал про графику - что это такое и с чем ее едят.
В общем, вся эта автоматизация производственных и исследовательских процессов на основе управляющих ЭВМ исходила именно от микроэлектронщиков - они, как люди наиболее приближенные к производству микросхем, могли иметь их почти в неограниченном количестве - прежде всего за счет ввода в строй микросхем, не подпадающих под запланированные нормы - либо по быстродействию, либо по топологии - поэтому они могли паять из них довольно сложные схемы, ускорявшие выполнение операций - как схемы управления, так и схемы АЛУ - и на основе этого базиса развивать подходы в автоматизации.
И уже от микроэлектронщиков цифровое управление начинало перетекать к тем же станочникам - ведь последние владели методами точного изготовления изделий из металла, поэтому именно они делали множество аппаратуры для микроэлектроники, соответственно, они и видели что нового появляется у микроэлектронщиков, и плотно с ними общались - и естественно, что станочникам тоже хотелось более гибких и более точных инструментов для своей работы, и так как сами микроэлектронщики были заинтересованы в быстром и точном изготовлении их приборов, они с энтузиазмом включались в работы по цифровизации станков.
Я-то планировал, что эти процессы пока будут происходить только внутри микроэлектронщиков, так как предполагал, что цифровых схем просто не хватит на всех, но раз народ сам изъявил желание создавать такие конструкции, да к тому же за счет внепланового "железа" - у меня возражений не было, и даже наоборот - по сведениям, предоставленными расчетчиками трудоемкости работ, уже в сентябре сорок третьего микроэлектонщики вышли в плюс от такого сотрудничества, получив досрочно три новых автоматизированных прибора по исследованию фоторезистов - трудоемкость, которая была затрачена на изготовление нестандартных микросхем из брака, хотя и несколько просадила показатели производительности труда начиная с конца весны, но по расчетам уже в октябре все это будет скомпенсировано за счет этих трех установок и затем начиная с ноября будет только плюс.
Так что экономистам предстояло поломать голову над тем, как бы утилизировать быстрый рост таких "плюсов" и вместе с тем не зарубить на корню инициативу - народ ведь рисковал в том числе и своей зарплатой, когда взялся за изготовление микросхем на базе неликвида, и просадок не было только потому, что я прокредитовал лаборатории из своих личных фондов, образовавшихся за счет внедрения инноваций и рацпредложений (то есть честно стянутых из моего времени идей, которые прорабатывались и внедрялись уже местными исследователями). Да, это была мало того что безналичка, так и вообще не деньги, а расчетные баллы - но и они в итоге могли быть частично конвертированы в деньги, а большей частью - в такие же баллы, если дело в итоге выгорит. У микроэлектронщиков "выгорело", поэтому после возврата мне "кредита" они будут получать уже свои баллы - и тут надо было придумать что-то такое, чтобы люди не почивали на лаврах и далее, а продолжал развивать производство.
Конечно, это был не единичный эпизод, поэтому мы уже прорабатывали несколько вариантов - тут и постепенное уменьшение выдаваемых за инновации баллов, и сгорание баллов с течением времени - об этом я писал и ранее - сложность была в расчетах - за какие работы с какой скоростью все это должно уменьшаться и сгорать. И должно ли вообще. Так что пока ничего не уменьшалось и не сгорало - шло "первоначальное накопление капитала", но только в коммунистическом варианте - не в виде денег, а в виде предоставляемых накопленными баллами возможностей самостоятельного промышленного и научного творчества. И продлится это как минимум до конца войны, да и на послевоенное время были задумки регулировать с помощью таких преференций какие-то направления, которые будут важны в конкретную, скажем, пятилетку. Или десятилетку. Или столетку - надо будет вырабатывать механизмы согласования этих параметров. Еще бы понимать - с кем именно.
А у станочников уже проходила первая фаза знакомства с новой технологией - становились понятны ее ограничения, люди приходили к мысли, что ЧПУ - это вовсе не палочка-выручалочка, с помощью которой можно сделать все что угодно. Так, при протачивании конусов на них появляются волнистости - ведь приводу надо двигаться вдоль детали и одновременно сдвигать инструмент - и так как сдвиг выполняется по шагам, то есть дискретно, то и возникает волнистость. И уменьшением дискретности пока исправить не получалось, так что сейчас добавили поворотный суппорт со своим двигателем - суппорт поворачивался на нужный угол - скажем, на угол требующийся для конуса - и затем обрабатывал его своей продольной подачей, тогда как основная продольная подача оставалась неподвижной. Таким образом мы снова стали обрабатывать деталь прямолинейным движением - волнистость ушла, хотя добавились погрешности поворота этой новой продольной подачи, да и новый двигатель - тоже добавился, что усложнило конструкцию и габариты суппорта - и эту увеличенную массу требовалось учитывать при быстрых перемещениях - либо ставить более мощный двигатель либо ограничивать скорость, а также потребовалось учитывать и габариты новой продольной подачи и ее двигателя - не всегда можно было ее повернуть так, чтобы не упереться в части детали.
Но для обтачивания, скажем, круговых поверхностей, потребовалось создавать другие специальные подачи - подачи кругового движения. Поначалу-то мы попытались использовать ту малую продольную подачу, что сделали для конусов - аппроксимировали окружность несколькими короткими прямыми, которые протачивались малой продольной подачей. Не фонтан. Снова цифра пасовала перед обычной механикой, снова требовался отдельный механизм, причем специальный - под конкретный вид подачи - "круговой", как в предыдущем примере был свой вид подачи - "прямолинейный под углом к оси вращения". То есть для некоторых видов поверхностей нарисовались свои отдельные механизмы. И дальше мысли станочников завертелись: