Первыми, кто стал активно пользоваться в своей работе компьютерами, были астрономы XVII века. Их исследования — крайне востребованные на рынке, поскольку астрономические карты были нужны для навигации,— во многом были связаны с вычислениями, и наблюдатели неба нанимали для этого помощников.
В середине XIX века в Гринвичской обсерватории был оборудован специальный кабинет для работы компьютеров — нанятые для этого молодые люди обрабатывали базу астрономических данных.
Спрос на вычисления — не только астрономические — рос вместе с развитием торговли, и человеческий ресурс, даже усиленный механическими счетными машинами, довольно быстро перестал справляться с его удовлетворением.
К концу первой половины ХХ века инженеры догадались заменить механические шестеренки электрическими разрядами— появились машины на вакуумных лампах. Для них, собственно, была создана принципиальная схема, известная сегодня как «архитектура фон Неймана» (хотя приписывать ее изобретение целиком и полностью Джону фон Нейману не стоит).
Сан-Антонио-роуд, 391, Маунтин-Вью, территория полупроводниковой лаборатории Шокли, в декабре 2017 года. Фото: Dicklyon, CC BY-SA 4.0
Вскоре Уильям Шокли придумал транзистор и основал компанию, чтобы заработать на своем изобретении. Офис Shockley Semiconductor открылся в 1955 году недалеко от Пало-Алто в штате Калифорния: там жила мать Шокли, и изобретатель в виду ее преклонного возраста хотел быть к ней поближе. Через год Шокли получил Нобелевскую премию по физике. Через два — восемь молодых инженеров уволились из компании Шокли, чтобы основать свою: Fairchild Semiconductor.
Последним к группе недовольных сотрудников под предводительством Гордона Мура присоединился Роберт Нойс. Вскоре он придумал элегантный способ объединения электронных элементов на плоском полупроводниковом кристалле, похожий на тот, что незадолго до него запатентовал Джек Килби из Texas Instruments. Так появились планарные интегральные схемы, которые можно печатать на кремниевых пластинах, и эра полупроводниковых транзисторов началась всерьез.
Вероломная восьмёрка — восемь основателей компании Fairchild Semiconductor. Слева направо: Гордон Мур, К. Шелдон Робертс, Юджин Кляйнер, Роберт Нойс, Виктор Гринич, Джулиус Бланк, Джин Хорни и Джей Ласт. Фото: EETimes
Свой первый крупный заказ Fairchild получил от NASA. Агентство только что проиграло первый этап космической гонки, получило огромный чек от государства и начало тратить деньги. Им нужна была компактная и устойчивая электроника для оснастки космических кораблей. Так стартап «вероломных» инженеров и их технология стали популярны, а их продукция востребованной: если она работает в космосе, то уж точно прекрасно подойдет для любых земных предприятий.
К середине 1960-х чипы Fairchild, когда-то шедшие по 20 долларов за штуку, стоили уже 2, и его основатели не скрывали, что хотя и разбогатели на госконтрактах, дальше развиваться хотят на потребительском рынке. К тому моменту, как «Аполлон 11» с электроникой Fairchild на борту отправился в свой исторический полет, большую часть денег компания зарабатывала уже на корпоративных клиентах: большой бизнес пользовался компьютерами все больше и был готов за них платить.
Глобальный рынок чипов, 2019. Источник: SIA WSTS, Gartner
Во времена Великой депрессии в Калифорнию переселилось огромное число людей, бежавших от голода в центральных штатах. Чтобы прокормить семьи, мигранты соглашались на любую работу. Так на сбор урожая стали массово нанимать женщин: им можно было меньше платить. Во Вторую мировую их стали нанимать на местные фабрики, и они не особенно стремились организовываться в профсоюзы.
Поэтому когда здесь появились предприимчивые инженеры, они обратились к тому же источнику дешевого ручного труда, нужного на последнем этапе сборки и тестирования интегральных схем. Но когда спрос на интегральные схемы взлетел, этого ресурса им хватать перестало. И глаза менеджеров Fairchild обратились к главному источнику женских рабочих рук в Калифорнии. В 60-е годы им была Юго-Восточной Азия.
Фабрика в Гонконге за первый год работы произвела 120 миллионов устройств превосходного качества: местным можно было платить в несколько раз меньше, чем американцам, причем не только рабочим, но и инженерам. Вскоре примеру компании Нойса и Мура последовали остальные. Местные правительства были только рады: присутствие на их земле американского бизнеса давало хоть какие-то гарантии безопасности перед лицом набирающего силу Китая.
Особенно заинтересованы в этом были в Тайване, который сегодня по праву считается главной фабрикой микроэлектроники в мире.
К концу 60-х основатели Fairchild снова уволились и создали новую компанию, которую назвали Intel. Их первым продуктом стала память (DRAM). Прежде компьютерные данные хранились не на полупроводниковых устройствах, а на металлических, миниатюризация которых параллельно с кремниевыми платами шла не так бойко.
Сооснователи Intel: Эндрю Гроув, Роберт Нойс и Гордон Мур. Фото: Intel Free Press, CC BY-SA 2.0
Идея Intel была очень проста: рынок микроэлектроники растет, и если предложить ему гораздо более эффективное и при этом универсальное устройство, его точно будут покупать. Для того чтобы просто хранить состояния битовых строк, не нужны никакие логические вентили. Делайте свои процессоры под свои задачи, а масштабированием ресурса ваших конечных устройств займется Intel.
Следом пришла и следующая самоочевидная мысль. В то время как все остальные проектируют и производят специализированные схемы для разных устройств, создать универсальный процессор. А как его применять, рынок сам разберется. Покупайте наши микропроцессоры и программируйте их под ваши задачи.
Десять лет спустя Лин Конвей и Карвер Мид опубликовали книгу «Введение в СБИС системы» (Introduction to VLSI Systems), которая совершила еще одну революцию в области микроэлектроники, причем в этот раз не совсем технологическую, а скорее техническую (или даже эпистемическую). Конвей и Мид описали базовые правила, следуя которым, можно спроектировать эффективную интегральную схему. Чем снизили порог входа для тех, кто хотел заниматься проектированием «железа». Раньше он был очень высок: требовал экспертизы и в физике, и в электрической инженерии, и в информатике.
Помимо этого общие принципы проектирования позволили распараллелить процессы дизайна, сделав его намного более масштабируемым. В конце концов революция Конвея и Мида позволила окончательно разделить проектирование и производство. Это привело к появлению бесфабричного подхода (fab[rication]less) к созданию микроэлектроники — именно его иллюстрирует подпись Designed in California, assembled in China, которую Apple помещает на корпуса своих устройств.
Fairchild F74LS181PC — 4-битный процессор первого поколения интегральных схем на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Фото: Drahtlos, CC BY-SA 4.0
Так из нескольких превосходных идей и ряда ключевых изобретений возникла Кремниевая долина — и за полвека создала мир, который существует постольку, поскольку миллиарды миллиардов крошечных транзисторов на кремниевых платах совершают свою работу на околосветовых скоростях.
Устройство мира
Их проектируют на Западе, производят на Востоке, а ресурсы, необходимые для этой индустрии, добывают по всему миру. Обрыв связи между элементами глобального конвейера, обеспечивающего индустрию микроэлектроники, чувствует практически каждая современная отрасль — пандемия ковида здесь служит прекрасным примером. При этом среди узловых точек на этой карте есть незаменимые как, например, нидерландская компания ASML, которой принадлежат 100% всего рынка EUV-литографии — технологии, без которой невозможно создать современный чип.
Миниатюризация индустрии. Как менялось число производителей с очередным тактом техпроцесса
Спрос человечества на «компьют» — вычислительные ресурсы — только растет. Пожалуй, главный товар 2020-х годов — специализированные вычисли тельные устройства, первоначально созданные для работы с графикой. Компания NVIDIA стала дороже триллиона долларов на пять лет позже Apple и Amazon — но 4 июля 2025 года первой пробила потолок 4 трлн. И не потому, что мы внезапно увлеклись видеоиграми.
В 2020-х годах эффект от «ренессанса искусственного интеллекта», начавшегося в конце 90-х годов прошлого века, заметили уже все. Ключевым событием стало, пожалуй, появление больших языковых моделей (large language models): цифровых систем, без особенных проблем проходящих тесты Тьюринга — беседуя с ними, не каждый человек догадается, что говорит с машиной.
Оставим здесь в скобках гуманитарное значение этого события, укажем лишь, что экономический потенциал на одном только рынке услуг подобных агентов очевиден. Все крупные ИИ-компании, за исключением Google, сейчас используют графические процессоры NVIDIA. А остальные — спешно ищут технологические платформы, чтобы включиться в эту гонку.
Как менялась вычислительная мощность моделей машинного обучения между 1952 и 2022 годами
Дело далеко не только, конечно, в заговоривших машинах. Обучаемые автономные системы — базовый элемент любого рода деятельности. А следовательно, область возможного применения технологии в буквальном, строгом смысле ограничивается только человеческим воображением. И ресурсной базой, которой для машинного обучения служит глобальный «компьют», работающий на кремниевых МОП-транзисторах в интегральных схемах.
При этом рецепт успеха в машинном обучении довольно прост: давайте добавим еще больше вычислительных мощностей и увеличим объем данных для обучения. И нынешних результатов он добился в первую очередь благодаря техническому прогрессу на стороне производителей микроэлектроники, которые полвека двигались в темпе закона Мура — эпоха глубокого обучения, несомненно, связана с появлением соответствующих алгоритмов, но само развитие области напрямую связано с тем, насколько уменьшилась к этому моменту стоимость вычислений. При этом чем дальше шла миниатюризация, тем уже становился рынок.
Доли в производстве плат 2022 и 2032 (прогноз). Источник: SEMI; BCG Analysis
Смену технологий в индустрии принято выражать через плотность «упаковки» транзисторов на чипе, хотя вот уже четверть века официальное «название» перестало соответствовать реальным физическим характеристикам процессоров. Когда вершиной технологии был техпроцесс «130 нм», в начале нулевых годов, число производителей, освоивших этот процесс, измерялось все еще десятками. Чипы последнего поколения умеют делать строго три компании: американский Intel, тайваньский TSMC, корейский Samsung. Причем зачастую — в сотрудничестве.
