Нанонауки. Невидимая революция - Жоаким Кристиан

Открытие электрона на пороге XX в. дало начало эре электроники. Последовало неслыханное прежде ускорение миниатюризации, и электроника естественным образом сократилась до микроэлектроники. В который уж раз все начиналось с повседневных затруднений. Поначалу телефонная связь опиралась на ручной труд: телефонистка должна была вставлять штепсели и штекеры в соединительные гнезда и выдергивать эти вилки из розеток всякий раз, когда требовалось соединить двух влюбленных, жаждавших услышать голоса друг друга, или партнеров по бизнесу. Но во всех столицах мира, вроде Нью-Йорка или Парижа, число абонентов росло взрывообразно. Справиться с этой волной могла только автоматизация: телефонисток должны были заменить какие-то электронно-механические устройства. И тогда инженеры сначала придумали электромагнитные реле, становившиеся со временем все более миниатюрными, потом догадались приспособить электронные лампы, те самые диоды, триоды и пентоды, которые трудились в радиоприемниках наших бабушек. Лампы были отдаленными потомками вакуумных баллонов Крукса и действовали как прерыватели — иначе говоря, переключатели — электрического тока. Со временем, однако, жалобы на лампы — они и хрупки, и слишком громоздки, и очень уж нагреваются — становились все громче. Хорошо, давайте поставим вместо лампы что-нибудь твердое и, по возможности маленькое. В начале 1940-х годов решить эту задачу подрядились Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли, работавшие в лабораториях Bell Telephone Company в США. В декабре 1947 года они изобрели устройство, рабочим элементом которого был крошечный полупроводниковый кристалл, и назвали его транзистором. Транзистор, подобно ламповому (вакуумному) триоду, мог усиливать электрический сигнал или действовать в качестве переключателя, при этом транзистор был куда меньше самой маленькой лампы и, что еще важнее, выделял меньше тепла, а это сокращало затраты на системы охлаждения.

Именно транзисторы стали основой всей электроники. Из них собирали схемы, выполнявшие логические операции и запоминавшие информацию. Поначалу это была работа кропотливая, ручная, наподобие вышивания, часто производимая под микроскопом, с помощью паяльника, и все равно, сколько же случалось ошибок! Первым делом нужно было изготовить достаточно много транзисторов, затем вставить каждый в корпус, и потом уже подключать их к другим электронным деталям, соединяя элементы проводниками. Но в 1958 году появилась новинка, избавлявшая от многих операций, производимых вручную: инженер Texas Instruments Джак Килби изобрел интегральную схему (сейчас мы называем это устройство микросхемой, или чипом). Определение «интегральная» означало, что множество электронных компонентов (транзисторы, резисторы, диоды и т. п.) вместе с соединительными проводниками размещались на поверхности одного полупроводникового кристалла — так называемой подложки. Очень скоро другие инженеры догадались, что транзисторы можно располагать вертикально, устанавливая их друг на друге, — у Килби все компоненты были плоскостными и из одного и того же материала (кристаллического полупроводника). На крошечных — разных! — германиевых пластинках Килби сначала создавал транзистор, потом формировал три резистора и конденсатор, а затем соединял получившиеся детали тоненькими золотыми проводками, припаивая их вручную. Прошло несколько месяцев, и Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductors сумел сформировать все компоненты на поверхности одной-единственной кремниевой пластинки. При этом он обошелся без соединительных проводников, сформировав и все соединения из того же кремния. Вот тогда и родилась первая «настоящая» интегральная схема. А еще через несколько месяцев началось массовое промышленное производство интегральных схем.

Чтобы производить интегральные схемы в больших количествах, нужна была технология, обеспечивавшая автоматизацию сборки электронных компонентов на подложке. Поначалу вопрос о миниатюризации даже не поднимался — всем казалось очевидным, что новинка будет внедрена незамедлительно, например в электронике, устанавливаемой на военных реактивных снарядах и ракетах. Электроника следит за устойчивостью полета, и потому такая управляющая система включает в себя гироскоп, замеряющий отклонение от курса, и систему управления подачей топлива в реактивный двигатель. Инженеры-электронщики в союзе с армией физиков извлекли немалые выгоды из космической программы «Аполлон», обеспечивающей постоянный запрос на все более миниатюрную микроэлектронику. В реактивном снаряде или ракете тесно, а каждый лишний грамм груза — это дополнительный расход топлива, поэтому соображения места и массы имеют первостепенное значение. К тому же чем мельче транзистор, тем выше его быстродействие. А если транзисторов в интегральной схеме (в том же объеме) становится больше, то и возможностей у микросхемы прибавляется. Так что плотность расположения транзисторов начиная с 1960-х годов неуклонно возрастала, подчиняясь эмпирической закономерности, замеченной в 1965 году Гордоном Муром.

Защитив диплом в Калифорнийском университете, где он какое-то время сотрудничал с одним из изобретателей транзистора Уильямом Шокли, Гордон Мур вскоре начал работать в фирме Fairchild Semiconductors. В апреле 1965 года главный редактор американского журнала Electronics попросил Мура написать статью о перспективах электроники[9]. На момент написания статьи в самых сложных интегральных схемах содержалось десятка три электронных элементов, в том числе несколько транзисторов. Не так уж много, но Гордон Мур верил в эту технологию. Приглядевшись к темпам ее развития, он заметил: после изобретения интегральной схемы число компонентов за год выросло с четырех до восьми, а еще через год — до 16. Получалось, что примерно за год количество компонентов удваивается. Вовсе не думая об открытии или тем более навязывании какого-то закона собственного имени, Мур просто высказал надежду на появление все более миниатюрных электронных схем и тех деталей, из которых они строятся, предсказывая, что при этом схемы будут усложняться и дешеветь.

О том, что случится в будущем, Мур, конечно, мог только догадываться, но он был уверен: невероятный курс на немыслимую миниатюризацию взят. А назвал это его простенькое опытное — эмпирическое — наблюдение «законом Мура» вовсе не сам Мур, а преподаватель Калифорнийского технологического института Карвер Мид. Мур же в 1975 году подправил «свой» закон: плотность размещения компонентов на подложке интегральной схемы удваивается каждые два года. Между тем Мур познакомился с Робертом Нойсом, одним из изобретателей интегральной схемы, и в июле 1968 года Мур и Нойс зарегистрировали фирму Intel Corporation, которая в 1971 году выпустила первый микропроцессор[10] — микросхему, среди компонентов которой насчитывалось 2250 транзисторов. После этого закон Мура точно предсказывал рост плотности транзисторов в объеме микросхемы — в 2007 году их стало более 250 миллионов! Что и говорить — рост молниеносный.

Причем транзисторы не только становились меньше: они и работали все лучше и лучше. В грубом приближении уполовинивание объема равносильно удвоению быстродействия, поскольку электронам приходится преодолевать вдвое меньшее расстояние. И мощность, рассеиваемая на транзисторе, тоже уменьшается. Но поскольку плотность размещения транзисторов учетверилась, то общее количество рассеиваемого тепла осталось тем же самым. Зато способности к счету возросли в восемь раз. А ведь за сорок лет размеры уменьшились не вдвое, как в нашем примере, а в сто раз с лишним! Следствия налицо: если первая электронно-вычислительная машина весила 50 т и потребляла 25 кВт, выполняя лишь какую-то сотню команд в секунду, то любой нынешний микропроцессор весит считаные граммы, выполняет за секунду сотни миллионов команд и потребляет ничтожную энергию — во многие тысячи раз меньше, чем первые ЭВМ!