Все современные устройства от смартфонов и электроскутеров, сверхзвуковых летательных аппаратов и кардиостимуляторов до крупнейших дата-центров и суперкомпьютеров зависят от транзисторных технологий, в основе которых лежит элементарный минерал – кремний. Со дня создания первого кремниевого транзистора в 1947 году эти крошечные электронные переключатели изменили мир, придя на смену громоздким, медлительным вакуумным трубкам и став краеугольным камнем современных вычислительных технологий.
В середине XX века никто не мог ожидать таких темпов развития инновационной технологии. Более 50 лет назад основатель корпорации Intel Гордон Мур нашёл особую закономерность, получившую название «закон Мура». Согласно этому «закону» количество транзисторов, помещаемых на поверхности микрочипа, будет увеличиваться вдвое каждые 2 года. Эта закономерность отчётливо и безошибочно прослеживалась в производстве чипов до недавнего времени. Первые транзисторы были достаточно крупными, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом, а некоторые современные чипы содержат миллиарды крошечных транзисторов, размеры которых не превышают нескольких нанометров. Однако теперь на пути дальнейшего экспоненциального развития стали законы физики, которые значительно замедлили темпы миниатюризации кремниевых транзисторов. Несмотря на это, невозможно недооценивать материал, позволивший произвести цифровую революцию – кремний.
Кремний – один из самых распространённых на Земле элементов, который образует до 90% минералов, содержащихся в земной коре. Транзисторная технология использует наиболее распространённый из них – кварц, который составляет около 12% всех минералов земной коры по массе. Кремний поддерживает многомиллиардную индустрию производства чипов, а также оказывает огромное влияние на развитие мировой экономики и культуры. Прежде чем этот минерал попадёт в Ваш телефон или компьютер, ему предстоит проделать долгий путь. Джон Нойфер, главный исполнительный директор Ассоциации полупроводниковой индустрии, утверждает, что иногда кремний в виде сырья или готового изделия огибает земной шар по два или даже три раза, пока не попадёт к конечному потребителю.
В большинстве случаев благодаря широкой международной сети транзисторной индустрии можно отследить происхождение минерала до конкретного месторождения. Специалисты считают, что самый чистый кремний можно получить из кварца, а самый чистый кварц с минимальным количеством примесей добывают в карьерах неподалёку от города Спрус-Пайн, штат Северная Каролина. Миллионы цифровых устройств по всему миру – возможно, даже Ваш смартфон или ноутбук – содержат в себе крошечные фрагменты минерала родом из этого американского месторождения. Этот регион столетиями служил источником для множества полезных ископаемых – драгоценных камней, слюды и т. п. Долгое время кварц оставался побочным продуктом и оставался без внимания, но на пике развития полупроводниковой индустрии в 1980-х годах он внезапно превратился в «белое золото».
Сегодня стоимость богатого кремнием кварца достигает 10 тысяч долларов за тонну. Объёмы добычи обычно не превышают 30 тысяч тонн в год – это меньше, чем количество строительного песка, производимого на территории США всего за один час. Даже такой тоннаж полностью удовлетворяет потребности индустрии, а имеющихся запасов минерала хватит ещё на несколько десятилетий. Из карьера кварц поступает на заводы по переработке, где его измельчают в песок. Чтобы отделить чистый кремний от кварца, минеральный песок подвергают обработке водой и различными химикатами. Затем уже кремниевый песок перемалывается в порошок и отправляется на очистительный завод для получения сверхчистого вещества с минимальным количеством дефектов даже на уровне кристаллической решётки.
Для превращения кремниевого порошка в чипы минерал плавят в печи при температуре 1400 °C и формируют из него болванки цилиндрической формы, которые впоследствии разрезают на тончайшие пластины. Следующим шагом является нанесение тонкого слоя сверхчистого кремния эпитаксиальным методом. Этот метод представляет собой своего рода печать путём управляемого наращивания кристаллических материалов на поверхности подложки из другого кристалла.
Процесс печати чипа чрезвычайно щепетилен и требует максимальной стерильности окружающей среды. Даже мельчайшие пылинки или волосинки могут повредить сложную цепочку транзисторов, потому огромные цеха необходимо содержать в идеальной чистоте, а сотрудники следуют строжайшему протоколу, который предусматривает использование защитных костюмов, перчаток и очков. На целостность чипов влияет даже свет: в производственных помещениях царит приглушённое жёлтое освещение, так как ультрафиолетовое излучение может негативно сказываться на состоянии некоторых химикатов, используемых в производстве.
Даже в стерильном помещении большинство производственных процессов выполняются роботами, а сами материалы транспортируются по подвесным конвейерам. В зависимости от сложности дизайна, процесс построения чипа включает в себя от одной до двух тысяч этапов. Пустые пластины поступают на конвейер, имея условную цену в пару сотен долларов за единицу, и покидают завод с миллионами или даже миллиардами кремниевых транзисторов, стоя в сотни раз дороже. Готовые чипы отправляют к производителям электроники, чтобы те стали частью очередного смартфона, видеокарты, фитнесс-трекера или умного холодильника.
По мере развития индустрии и уменьшения чипов устройства, работающие на их базе, становятся всё более доступными. По оценкам экспертов, около 5 миллиардов людей имеют как минимум один телефон, при чём более половины этого количества приходится на смартфоны. Всё больше людей осваивают навыки работы с цифровыми технологиями, а эволюция индустрии способствует созданию новых рабочих мест. Удивительно, как, используя такой простой и вездесущий материал, как кремний, люди смогли создать технологию с практически безграничными перспективами развития, которая, к тому же, повлекла за собой продвижение множества других отраслей, формирующих лад современного мира.
