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Pendant plus d'un siècle, le chien analogique a remué la queue numérique. Les tentatives d'élargir les capacités de nos sens - la vue, l'ouïe, et même, d'une certaine manière, le toucher, ont poussé des ingénieurs et des scientifiques à rechercher les meilleurs composants pour le télégraphe, le téléphone, la radio et les radars. Ce n'est que par un heureux hasard que ces recherches ont ouvert la voie à la création de nouveaux types de machines numériques. J'ai donc décidé de raconter l'histoire de cette constante , durant laquelle les ingénieurs en télécommunications fournissaient les matières premières pour les premiers ordinateurs numériques, et parfois même concevaient et construisaient ces ordinateurs eux-mêmes.
Mais dans les années 1960, cette collaboration fructueuse touchait à sa fin, tout comme mon histoire. Les fabricants de matériel numérique n'avaient plus besoin de plonger dans le monde du télégraphe, du téléphone et de la radio à la recherche de nouveaux commutateurs améliorés, car le transistor lui-même offrait une source inépuisable d'améliorations. Année après année, ils creusaient de plus en plus profondément, trouvant toujours des moyens d'augmenter exponentiellement la vitesse et de réduire les coûts.
Cependant, rien de tout cela ne serait arrivé si l'invention du transistor s'était arrêtée sur .
Un démarrage lent
La presse populaire ne semblait pas manifester un enthousiasme actif suite à l'annonce des laboratoires Bell concernant l'invention du transistor. Le 1er juillet 1948, le New York Times a consacré trois paragraphes à cet événement en bas de son résumé d'« Actualités radio ». En fait, cette nouvelle est apparue après d'autres, clairement jugées plus importantes : par exemple, le programme radio « L'heure du valse », qui devait être diffusé sur NBC. Avec le recul, nous pourrions vouloir rire, ou même réprimander les auteurs inconnus - comment ont-ils pu ne pas reconnaître un événement qui a bouleversé le monde ?

Cependant, le regard vers le passé déforme notre perception, renforçant les signaux dont nous connaissons l'importance, même s'ils étaient alors perdus dans un océan de bruit. Le transistor de 1948 différait considérablement des transistors des ordinateurs, sur l'un desquels vous lisez cet article (à moins que vous ne l'ayez décidé de l'imprimer). Ils différaient tant que, malgré le même nom et une lignée continue les liant, ils doivent être considérés comme des espèces différentes, sinon des genres différents. Ils ont des compositions différentes, des structures différentes, des principes de fonctionnement différents, sans parler de l'énorme différence de taille. Ce n'est que grâce à des réinventions constantes que le dispositif maladroit, créé par Bardeen et Brattain, a pu transformer le monde et notre vie.
En réalité, le transistor en allemand à point de contact unique ne méritait pas plus d'attention que celle qu'il a reçue. Il avait quelques défauts hérités de la lampe à vide. Certes, il était beaucoup plus petit que les lampes les plus compactes. L'absence de filament incandescent signifiait qu'il générait moins de chaleur, consommait moins d'énergie, ne brûlait pas et ne nécessitait pas de préchauffage avant utilisation.
Cependant, l'accumulation de saleté sur la surface de contact entraînait des pannes et annihilait le potentiel d'une durée de vie plus longue ; il produisait un signal plus bruyant ; fonctionnait uniquement à faibles puissances et dans une bande de fréquence étroite ; échouait par temps chaud, froid ou humide ; et il était impossible de le produire de manière uniforme. Plusieurs transistors, fabriqués de la même manière par les mêmes personnes, présentaient des caractéristiques électriques étonnamment différentes. Et tout cela s'accompagnait d'un coût qui était huit fois supérieur à celui d'une lampe standard.
Ce n'est qu'en 1952 que les laboratoires Bell (et d'autres détenteurs de brevet) ont résolu les problèmes de production suffisamment pour que les transistors à point de contact unique deviennent des dispositifs pratiques, et même dans ce cas, ils ne se sont pas particulièrement répandus au-delà du marché des appareils auditifs, où la sensibilité au prix était relativement faible et les avantages liés à l'autonomie de la batterie surpassaient les inconvénients.
Cependant, les premières tentatives de transformer le transistor en quelque chose de meilleur et de plus utile ont déjà commencé. En réalité, elles ont commencé bien avant que le grand public ne prenne connaissance de son existence.
Les ambitions de Shockley
À la fin de 1947, Bill Shockley, très excité, s'est rendu à Chicago. Il avait des idées floues sur la façon de surpasser le transistor récemment inventé par Bardin et Brettain, mais il n'a pas encore eu l'occasion de les développer. Au lieu de profiter de la pause entre les étapes de son travail, il a passé Noël et le Nouvel An dans un hôtel, remplissant environ 20 pages de son carnet avec ses idées. Parmi celles-ci, il y avait une proposition pour un nouveau transistor composé d'un sandwich de semi-conducteur – une tranche de germanium de type p entre deux morceaux de type n.
Encouragé par la présence d'un tel atout dans sa manche, Shockley a reproché à Bardin et Brettain leur retour à Murray Hill, exigeant toute la gloire pour l'invention du transistor. N'était-ce pas son idée sur l'effet de champ qui avait poussé Bardin et Brettain à s'enfermer dans le laboratoire ? N'était-il pas nécessaire de lui transférer tous les droits sur le brevet à cause de cela ? Cependant, la ruse de Shockley s'est retournée contre lui : les avocats en brevets des laboratoires Bell ont découvert qu'un inventeur inconnu, , avait breveté un amplificateur à semi-conducteur à effet de champ près de 20 ans plus tôt, en 1930. Bien sûr, Lilienfeld n'a jamais réalisé son idée, compte tenu de l'état des matériaux à l'époque, mais le risque de chevauchement était trop grand – il valait mieux éviter complètement de mentionner l'effet de champ dans le brevet.
Ainsi, bien que les laboratoires Bell aient accordé à Shockley une généreuse part de la gloire d'inventeur, le brevet ne mentionnait que Bardin et Brettain. Cependant, ce qui est fait est fait : les ambitions de Shockley ont détruit sa relation avec les deux subordonnés. Bardin a cessé de travailler sur le transistor et s'est concentré sur la supraconductivité. Il a quitté les laboratoires en 1951. Brettain y est resté, mais a refusé de retravailler avec Shockley et a insisté pour être transféré dans un autre groupe.
En raison de son incapacité à travailler avec d'autres personnes, Shockley n'a pas avancé dans les laboratoires et a donc quitté cet endroit. En 1956, il est rentré chez lui à Palo Alto pour fonder sa propre entreprise de fabrication de transistors, Shockley Semiconductor. Avant son départ, il s'est séparé de sa femme Jean, alors qu'elle se remettait d'un cancer de l'utérus, et a commencé une relation avec Emmy Laning, qu'il épousera bientôt. Mais parmi les deux volets de son rêve californien – la nouvelle entreprise et la nouvelle épouse – seul l'un s'est concrétisé. En 1957, ses meilleurs ingénieurs, en colère contre son style de gestion et la direction qu'il donnait à l'entreprise, ont quitté pour fonder une nouvelle société, Fairchild Semiconductor.

Shockley en 1956
Ainsi, Shockley a abandonné la coquille vide de son entreprise et a pris un poste au département d'électrotechnique à Stanford. Là, il a continué à repousser ses collègues (et son plus ancien ami, le physicien ) avec des théories qui l'intéressaient sur la dégénérescence raciale et – des sujets impopulaires aux États-Unis depuis la fin de la dernière guerre, surtout dans les cercles académiques. Il prenait plaisir à susciter des débats, à provoquer les médias et à inciter à des manifestations. Il est mort en 1989, s'étant éloigné de ses enfants et de ses collègues, n'étant visité que par sa seconde épouse, Emmy, qui lui était éternellement dévouée.
Bien que ses pitoyables tentatives d'entrepreneuriat aient échoué, Shockley a semé la graine dans un sol fertile. La région de la baie de San Francisco a engendré de nombreuses petites entreprises électroniques, financées par le gouvernement fédéral pendant la guerre. Fairchild Semiconductor, un rejeton inattendu de Shockley, a donné naissance à des dizaines de nouvelles entreprises, dont quelques-unes sont encore connues aujourd'hui : Intel et Advanced Micro Devices (AMD). Au début des années 1970, cette région avait acquis le surnom moqueur de "Silicon Valley". Mais attendez – Bardin et Brettein ont créé le transistor en germanium. D'où vient le silicium ?

C'est ainsi qu'en 2009, l'endroit abandonné à Mountain View, où se trouvait autrefois Shockley Semiconductor, apparaissait. Aujourd'hui, le bâtiment a été démoli.
Au carrefour du silicium
Le destin du nouveau type de transistor, inventé par Shockley dans un hôtel de Chicago, fut bien plus heureux que celui de son créateur. Tout cela grâce à la détermination d'un homme à cultiver de véritables cristaux semi-conducteurs purs. Gordon Teal, chimiste physique du Texas, qui étudiait le germanium alors considéré comme inutile pour sa thèse, entra dans les laboratoires Bell dans les années 30. En apprenant l'existence du transistor, il était convaincu que sa fiabilité et sa puissance pouvaient être considérablement améliorées en le créant à partir d'un monocristal pur plutôt qu'à partir des mélanges polycristallins utilisés à l'époque. Shockley rejeta ses tentatives, jugeant cela comme une perte de ressources inutile.
Cependant, Teal persista et réussit, avec l'aide de l'ingénieur mécanicien John Little, à créer un appareil capable d'extraire une minuscule graine de cristal à partir du germanium fondu. En se solidifiant autour de la graine, le germanium élargissait sa structure cristalline, créant une grille semi-conductrice continue et presque pure. Au printemps 1949, Teal et Little pouvaient produire des cristaux sur commande, et les tests montrèrent qu'ils laissaient loin derrière leurs concurrents polycristallins. En particulier, les porteurs de charge supplémentaires qu'ils incluaient pouvaient survivre à l'intérieur pendant une centaine de microsecondes, voire plus longtemps (contre au maximum dix microsecondes dans d'autres échantillons de cristaux).
Maintenant, Teal pouvait se permettre plus de ressources et a élargi son équipe, incluant un autre chimiste physique, Morgan Sparks, qui avait également rejoint les laboratoires Bell en provenance du Texas. Ils commencèrent à modifier le mélange pour produire du germanium de type p ou n, en ajoutant des billes d'impuretés correspondantes. En une année, ils perfectionnèrent la technologie au point de pouvoir cultiver un sandwich de germanium n-p-n directement dans le bain fondu. Et il fonctionnait exactement comme le prédisait Shockley : le signal électrique du matériau de type p modulait le courant électrique entre les deux conducteurs connectés aux morceaux de type n qui l'entouraient.

Morgan Sparks et Gordon Teal au banc de travail dans les laboratoires Bell
Ce transistor à jonction cultivée a surpassé son prédécesseur à contact ponctuel presque dans tous les domaines. En particulier, il est devenu plus fiable et prévisible, produisant beaucoup moins de bruit (et donc, étant plus sensible), et extrêmement économe en énergie - consommant un million de fois moins d'énergie qu'une lampe électronique typique. En juillet 1951, les laboratoires Bell ont organisé une autre conférence de presse pour annoncer cette nouvelle invention. Avant même que le premier transistor ne puisse entrer sur le marché, il était déjà devenu en grande partie obsolète.
Et pourtant, ce n'était que le début. En 1952, General Electric (GE) a annoncé le développement d'un nouveau processus de fabrication de transistors à jonction, la méthode de fusion. Dans ce cadre, deux billes d'indium (donneur de type p) étaient fusionnées des deux côtés d'une fine tranche de germanium de type n. Ce processus était plus simple et moins coûteux que la culture de jonctions dans un alliage, et ce transistor offrait une résistance inférieure tout en supportant de plus grandes fréquences.

Transistors à jonction cultivée et à fusion
L'année suivante, Gordon Teal a décidé de revenir dans son État natal et a trouvé un emploi chez Texas Instruments (TI) à Dallas. L'entreprise avait été fondée sous le nom de Geophysical Services, Inc. et au départ, produisait des équipements pour l'exploration de gisements pétroliers. TI a ouvert une division électronique pendant la guerre et cherchait maintenant à entrer sur le marché des transistors sous licence de Western Electric (la filiale de production des laboratoires Bell).
Teal a apporté avec lui de nouvelles compétences acquises dans les laboratoires : la capacité de cultiver et des monocristaux de silicium. La faiblesse la plus évidente du germanium était sa sensibilité à la température. Sous l'effet de la chaleur, les atomes de germanium dans le cristal libéraient rapidement des électrons libres, et il se transformait de plus en plus en conducteur. À 77 °C, il cessait complètement de fonctionner en tant que transistor. Le principal marché des transistors était les forces armées - un consommateur potentiel peu sensible aux prix avec un énorme besoin de composants électroniques stables, fiables et compacts. Cependant, le germanium sensible à la température ne serait pas utile dans de nombreux cas d'utilisation militaire, notamment dans le domaine aérospatial.
Le silicium était beaucoup plus stable, mais il fallait faire face à un point de fusion beaucoup plus élevé, comparable à celui de l'acier. Cela posait d'énormes difficultés, étant donné que pour créer des transistors de haute qualité, il fallait des cristaux très purs. Le silicium fondu chaud absorberait les impuretés de tout creuset dans lequel il se trouvait. Tille et son équipe de TI ont réussi à surmonter ces difficultés grâce à des échantillons de silicium ultra-purs de DuPont. En mai 1954, lors d'une conférence de l'institut des ingénieurs en radio à Dayton (Ohio), Tille a démontré que les nouveaux dispositifs en silicium fabriqués dans son laboratoire continuaient de fonctionner, même lorsqu'ils étaient immergés dans de l'huile chaude.
Les outsiders réussis
Enfin, environ sept ans après l'invention initiale du transistor, il pouvait être fabriqué à partir du matériau qui en était devenu le synonyme. Et il faudrait encore environ autant de temps pour voir l'apparition de transistors qui ressemblent grossièrement à ceux utilisés dans nos microprocesseurs et puces mémoire.
En 1955, des scientifiques des laboratoires Bell ont réussi à créer des transistors en silicium en utilisant une nouvelle technologie de dopage - au lieu d'ajouter des billes solides d'impuretés dans un liquide fondu, ils introduisaient des additifs gazeux dans la surface solide du semi-conducteur (). En contrôlant soigneusement la température, la pression et la durée de la procédure, ils atteignaient la profondeur et le niveau de dopage précisément nécessaires. Un meilleur contrôle du processus de fabrication a permis un meilleur contrôle des propriétés électriques du produit final. Ce qui est également important, la diffusion thermique a permis de produire le produit en série - on pouvait dopper une grande plaque de silicium, puis la découper en transistors. Les militaires ont financé les laboratoires Bell, car des dépenses préalables élevées étaient nécessaires pour organiser la production. Ils avaient besoin d'un nouveau produit pour la ligne de détection radar à ultra-haute fréquence (««), une chaîne de stations radar arctiques, conçues pour détecter les bombardiers soviétiques venant du pôle Nord, et ils étaient prêts à débourser 100 $ pour un transistor (c'était à une époque où une nouvelle voiture pouvait être achetée pour 2000 $).
L'alliage avec , qui contrôlait la position des impuretés, a permis de graver l'ensemble du contour sur un même substrat semi-conducteur - cela a été découvert simultanément par Fairchild Semiconductor et Texas Instruments en 1959. «» de Fairchild utilisait le dépôt chimique de films métalliques reliant les contacts électriques du transistor. Elle éliminait la nécessité de créer manuellement le câblage, réduisait le coût de production et augmentait la fiabilité.
Enfin, en 1960, deux ingénieurs des laboratoires Bell (John Atalla et Devon Kahn) ont réalisé le concept original de Shockley du transistor à effet de champ. Une fine couche d'oxyde à la surface du semi-conducteur a pu efficacement supprimer les états de surface, ce qui a permis au champ électrique de la grille en aluminium de pénétrer dans le silicium. Ainsi est né le MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (ou structure MOS, pour métal-oxyde-semi-conducteur), qui s'est révélé extrêmement facile à miniaturiser et qui est encore utilisé dans presque tous les ordinateurs modernes (il est intéressant de noter qu'Atalla était originaire d'Égypte, et Kahn de Corée du Sud ; pratiquement ces deux ingénieurs sont les seuls de toute notre histoire à ne pas avoir de racines européennes).
Enfin, treize ans après l'invention du premier transistor, quelque chose qui ressemblait au transistor de votre ordinateur est apparu. Il était plus facile à produire, consommait moins d'énergie que le transistor plan, mais il réagissait relativement lentement aux signaux. Ce n'est qu'avec la diffusion de circuits intégrés de grande taille avec des centaines ou des milliers de composants sur une seule puce que les avantages des transistors à effet de champ sont devenus évidents.

Illustration du brevet du transistor à effet de champ
L'effet de champ a été la dernière contribution majeure des laboratoires Bell dans le développement du transistor. Des grands producteurs d'électronique tels que les laboratoires Bell (avec leur Western Electric), General Electric, Sylvania et Westinghouse ont accumulé un impressionnant volume de recherches sur les semi-conducteurs. Entre 1952 et 1965, les laboratoires Bell ont enregistré plus de deux cents brevets sur ce sujet. Pourtant, le marché commercial est rapidement passé entre les mains de nouveaux acteurs tels que Texas Instruments, Transitron et Fairchild.
Le marché précoce des transistors était trop petit pour attirer l'attention des grands acteurs : environ 18 millions de dollars par an au milieu des années 1950, par rapport à un marché électronique global de 2 milliards de dollars. Cependant, les laboratoires de recherche de ces géants servaient de camps d'entraînement involontaires, où de jeunes scientifiques pouvaient assimiler des connaissances sur les semi-conducteurs avant de passer à la vente de leurs services à des entreprises moins importantes. Lorsque le marché de l'électronique à lampes a commencé à se contracter sérieusement au milieu des années 1960, il était déjà trop tard pour les laboratoires Bell, Westinghouse et les autres pour rivaliser avec les nouveaux venus.
La transition des ordinateurs vers les transistors
Dans les années 1950, les transistors ont envahi le monde de l'électronique dans quatre domaines les plus significatifs. Les deux premiers étaient les appareils auditifs et les récepteurs radio portables, où la faible consommation d'énergie et, par conséquent, la longue durée de vie sur batterie l'emportaient sur les autres considérations. Le troisième était l'application militaire. L'armée américaine avait de grands espoirs pour les transistors en tant que composants fiables et compacts pouvant être utilisés partout, du radio de campagne aux missiles balistiques. Cependant, au début, leurs dépenses en transistors ressemblaient davantage à un pari sur l'avenir de la technologie qu'à la confirmation de leur valeur à l'époque. Enfin, il y avait aussi le calcul numérique.
Dans le domaine de l'informatique, les inconvénients des commutateurs à lampes électroniques étaient bien connus, certains sceptiques avant la guerre pensaient même qu'il serait impossible de rendre l'ordinateur électronique un dispositif pratique. Lorsque des milliers de lampes étaient assemblées dans un même appareil, elles consommaient beaucoup d'énergie, produisant une grande quantité de chaleur, et en termes de fiabilité, on ne pouvait compter que sur leur panne régulière. C'est pourquoi le transistor, peu énergivore, froid et sans filament, est devenu le sauveur des fabricants d'ordinateurs. Ses inconvénients en tant qu'amplificateur (comme un signal de sortie plus bruité) ne posaient pas de problème majeur lorsqu'il était utilisé comme commutateur. Le seul obstacle était le coût, qui allait finalement commencer à chuter rapidement.
Tous les premiers essais américains avec des ordinateurs à transistor ont eu lieu à l'intersection du désir des militaires d'explorer le potentiel prometteur de cette nouvelle technologie et du souhait des ingénieurs de passer à des commutateurs améliorés.
Au laboratoire Bell, en 1954, le TRADIC a été construit pour l'US Air Force afin de voir si les transistors permettraient d'installer un ordinateur numérique à bord d'un bombardier, remplaçant ainsi la navigation analogique et aidant à la recherche de cibles. Le laboratoire Lincoln du MIT a développé l'ordinateur TX-0 dans le cadre d'un vaste projet de défense aérienne en 1956. La machine utilisait une autre variante du transistor, le transistor à barrière superficielle, bien adapté aux calculs à grande vitesse. Philco a construit son ordinateur SOLO sous contrat avec la marine (en réalité à la demande de la NSA), le terminant en 1958 (en utilisant encore une autre variante du transistor à barrière superficielle).
En Europe de l'Ouest, moins bien dotée en ressources pendant la guerre froide, l'histoire était tout autre. Des machines comme le Manchester Transistor Computer, (un autre nom inspiré du projet ENIAC, et codé en écrivant à l'envers), et l'autrichien étaient des projets secondaires, utilisant les ressources que leurs créateurs pouvaient rassembler - y compris des transistors à point de contact de première génération.
Il existe de nombreux débats sur le titre du premier ordinateur ayant utilisé des transistors. Tout cela dépend bien sûr du choix des définitions appropriées de mots tels que « premier », « transistor » et « ordinateur ». Quoi qu'il en soit, il est connu où l'histoire se termine. La commercialisation des ordinateurs à transistors a commencé presque immédiatement. D'année en année, les ordinateurs pour le même prix devenaient de plus en plus puissants, tandis que les ordinateurs de même puissance devenaient de moins en moins chers, et ce processus semblait si implacable qu'il a été érigé en une sorte de loi, à côté de la gravité et de la conservation de l'énergie. Devrions-nous débattre sur quel petit caillou a été le premier à provoquer l'effondrement ?
D'où vient la loi de Moore ?
En approchant de la fin de l'histoire du commutateur, il est important de se poser la question : qu'est-ce qui a conduit à l'apparition de cet effondrement ? Pourquoi la loi de Moore existe-t-elle (ou existait-elle – nous en discuterons une autre fois) ? Il n'existe pas de loi de Moore pour les avions ou les aspirateurs, comme il n'en existe pas pour les lampes électroniques ou les relais.
La réponse se compose de deux parties :
- Les propriétés logiques du commutateur en tant que catégorie d'artéfact.
- La possibilité d'utiliser des processus purement chimiques pour fabriquer des transistors.
Commençons par l'essence du commutateur. Les propriétés de la plupart des artéfacts doivent respecter un large éventail de contraintes physiques implacables. Un avion de passagers doit supporter le poids total de nombreuses personnes. Un aspirateur doit pouvoir aspirer une certaine quantité de saleté en un certain temps sur une certaine surface physique. Les avions et les aspirateurs seraient inutiles s'ils étaient réduits à des dimensions nanométriques.
Pour le commutateur – le commutateur automatique qui n'a jamais été touché par la main de l'homme – les contraintes physiques sont beaucoup moins nombreuses. Il doit avoir deux états différents, et il doit être capable d'informer d'autres commutateurs similaires de tout changement de leurs états. En d'autres termes, tout ce qu'il doit pouvoir faire, c'est s'allumer et s'éteindre. Qu'est-ce qui est si spécial dans les transistors ? Pourquoi d'autres types de commutateurs numériques n'ont-ils pas connu de telles améliorations exponentielles ?
Nous abordons ici le deuxième fait. Les transistors peuvent être fabriqués grâce à des procédés chimiques sans intervention mécanique. Depuis le début, un élément clé de la production de transistors a été l'utilisation d'impuretés chimiques. Ensuite est apparu le processus planétaire, éliminant la dernière étape mécanique de la production : la connexion des fils. En conséquence, il a levé la dernière contrainte physique sur la miniaturisation. Les transistors n'avaient plus besoin d'être assez grands pour les doigts humains - ou pour tout appareil mécanique. Tout était accompli par une simple chimie, à une échelle incroyablement petite : de l'acide pour le gravure, de la lumière pour contrôler quelles parties de la surface résisteraient à la gravure, et des vapeurs pour introduire des impuretés et des films métalliques sur les pistes gravées.
Mais pourquoi la miniaturisation est-elle nécessaire ? La réduction de la taille offrait toute une gamme d'effets secondaires agréables : augmentation de la vitesse de commutation, réduction de la consommation d'énergie et diminution du coût par unité. Ces puissants incitatifs ont poussé tout le monde à chercher des moyens de réduire davantage la taille des commutateurs. Et l'industrie des semi-conducteurs, en une seule vie humaine, est passée de la fabrication de commutateurs de la taille d'un ongle à l'emballage de dizaines de millions de commutateurs par millimètre carré. De la demande de huit dollars pour un seul commutateur à l'offre de vingt millions de commutateurs pour un dollar.

La puce mémoire Intel 1103 de 1971. Des transistors individuels, de la taille de quelques dizaines de micromètres, sont désormais indiscernables à l'œil nu. Et depuis, ils ont encore diminué d'un millier de fois.
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- Joel Shurkin, Broken Genius (1997)
Source : habr.com
