Швидкі обчислення були запорукою процвітання і могутності країни

Після Другої світової війни стало зрозуміло, що військова міць залежить не тільки від обсягу промислового виробництва, але і від передових технологій. Крім виробництва танків і літаків, у країнах — учасниках війни створювалися дослідницькі лабораторії, в яких працювали над ракетами й радарами. Після Хіросіми та Нагасакі стало безсумнівним, що найстрашніша зброя зароджується і створюється в наукових лабораторіях.

Війни майбутнього будуть пов’язані з розумними пристроями та швидкими обчисленнями.

Люди вміли швидко рахувати з часів Стародавнього Вавилона, з часів винаходу перших рахівниць, для маніпуляції великими числами — дерев’яні намистини переміщалися дерев’яними канавками. Наприкінці XIX — початку XX століття зростання бюрократії в уряді й ділових конторах вимагало великого обсягу обчислень. Для цього наймалися лічильники — працівники, які здійснювали обчислення за допомогою тих же рахівниць, ручки з папером або механічних калькуляторів.

Вони зводили таблиці зарплат, підраховували продажі, збирали результати перепису, переглядали дані про пожежі та посухи, визначаючи ціни на страхові поліси. Щоб забезпечити роботою офісних співробітників під час Великої депресії, урядовці придумали проєкт «Математичні таблиці». Людям доручили зводити в таблицю логарифми та експоненційні функції. Підсумком стали 28 томів результатів цих обчислень.

Крім цього, проєкт довів, що людський мозок, навіть озброєний механічними калькуляторами, має обмежені можливості. Щоб використовувати результати «Математичних таблиць», потрібно було ритися у 28 томах у пошуках певного логарифма або показника ступеня. Тим часом попит на обчислення і далі зростав. Ще до Другої світової війни в різних країнах намагалися розробляти більш потужні обчислювачі й калькулятори, а під час війни попит на обчислювальну потужність значно зріс. ВПС кількох країн намагалися створити механічні приціли для скидання бомб. Для більшої точності потрібно було більшу кількість обчислень.

Інженери спробували використовувати електричні заряди в перших комп’ютерах. Вони використовували вакуумну трубку з механічною ниткою розжарювання, схожу на лампу. Можна було вмикати-вимикати струм у трубці, подібно до того, як кісточки рахівниць рухалися стрижнем. Увімкнений струм кодувався як одиниця, вимкнений — як нуль. Така двійкова система числення могла б виконувати будь-які типи обчислень.

Це було новим кроком в історії обчислювальної техніки, але все зіпсували метелики. Вони летіли на світло вакуумних трубок разом з іншими комахами, й інженерам доводилося їх регулярно налагоджувати. До того ж вони часто перегорали. Перегорання однієї трубки призводило до зупинки всієї машини та квапливих пошуків відсутньої деталі. Технологія була занадто громіздкою і ненадійною. Напівпровідники були набагато зручнішими для обчислень. Певні матеріали, наприклад, мідні дроти, вільно пропускають струм. Інші, типу скла, блокують його.

Напівпровідники самі по собі не проводять електрику, але якщо додати додаткові матеріали та електричне поле, вони можуть проводити струм. Якщо до напівпровідникових матеріалів, наприклад, до кремнію або германію, додати фосфор або сурму, це дозволить протікати негативному струму.

У 1948 році фізик Вільям Шоклі розробив транзистор нового типу. Він складався з 3 шматків напівпровідникового матеріалу, як своєрідний сендвіч. У двох зовнішніх шматків був надлишок електронів, а у внутрішнього шматка — дефіцит. Навіть крихітний електричний струм у середньому шарі сендвіча перетворювався на сильний струм, який проходив у всьому пристрої. Маніпулюючи малим струмом у середині сендвіча, можна було вмикати та вимикати сильний струм. Незабаром цей перший транзистор буде спрощений і замінить собою вакуумні лампи.

Винахід транзисторів був першим кроком, потрібно було ще налагодити їхнє масове виробництво

Шоклі в 1955 році неподалік від Пало-Альто заснував компанію Shockley Semiconductor, плануючи налагодити виробництво вдосконалених транзисторів. Вони були передовою електронною технологією, передбачалося, що вони ось-ось замінять в електроніці вакуумні лампи. Виробництво стало б рентабельним тільки в тому разі, якби вони працювали краще, ніж лампи, або їхнє виробництво стало дешевшим. Крім того, хоча транзистори й почали використовувати в комп’ютерах, їхнє підключення між собою було дуже складним і незручним. Однак незабаром була вирішена й ця проблема. Джек Кілбі, інженер Texas Instruments, у 1958 році заради забави спробував зменшити кількість дротів, що об’єднують транзистори.

Він дійшов висновку, що кілька транзисторів можна вбудувати в одну пластину з кремнію або германію. Свій винахід Кірбі назвав інтегральною схемою, але незабаром її почали називати чипом — для виробництва схем використовувався шматочок кремнію, чип, відколотий від великої кремнієвої пластини.

Тим часом компанію Шоклі в Пало-Альто залишили 8 інженерів, що не знайшли спільної мови зі своїм босом, у якого був жахливий характер. Вони заснували власну компанію Fairchild Semiconductor, отримавши початковий капітал від багатого інвестора. Саме їх вважають засновниками Кремнієвої долини.

Один з інженерів, Нойс, створив інтегральну схему з кількома електричними компонентами на одному шматку напівпровідникового матеріалу, але без окремих дротів. Транзистори були вбудовані в єдиний блок. Такі чипи можна було зменшувати в розмірах, вони вимагали меншого енергоспоживання. Однак масове виробництво чипів усе ще було дорогим. Після запуску першого радянського супутника й польоту Гагаріна фінансування виробництва чипів прискорилося: Білий дім запустив прискорену програму, щоб наздогнати радянські космічні досягнення.

Незабаром НАСА, яке отримало величезне фінансування, зробило велике замовлення на чипи. Планувалася перша висадка людини на Місяць. НАСА доручило інженерам із лабораторії приладобудування в MIT розробити складний для того часу комп’ютер «Аполлон». Якби в ньому замість інтегральних схем використовувалися вакуумні лампи, він споживав би більше енергії, ніж космічний корабель. Fairchild на той час уже почала продавати власні чипи Micrologic. НАСА закупило їх у великій кількості для лабораторії Массачусетського технічного університету. Комп’ютер, який допомагав «Аполлону-11» дістатися до Місяця, був у тисячу разів меншим, ніж комп’ютер воєнних часів ENIAC Пенсильванського університету, що розраховує траєкторії артилерійського вогню. Завдяки програмі Apollo невеликий стартап Fairchild перетворився на фірму з тисячею співробітників, а продажі за два роки зросли з півмільйона доларів до 21 мільйона.

Завдяки масовим замовленням від НАСА знизилися ціни для інших клієнтів.

У 1961 році інтегральна схема продавалася за 120 доларів, а через рік ціна знизилася до 15 доларів. Крім того, довіра НАСА до інтегральних схем слугувала гарантією надійності. Якщо вже чипи використовуються в космосі, значить, є перевіреною технологією.