Гомо Сапиенс. Человек разумный - Юрий Чирков

Со временем в каждом доме, считали эксперты к закату XX века, можно будет установить периферийное устройство, связанное с большой вычислительной машиной и через нее – с учреждениями, банками, магазинами. Любую покупку можно будет сделать простым нажатием соответствующих кнопок на пульте этого периферийного устройства (внешний вид облюбованного костюма, сумочки можно будет оценить, вызвав их изображение на экране дисплея). И покупку на следующий же день доставят покупателю, а с его сберкнижки сделают необходимый вычет. Лет тридцать назад все подобное казалось далеким будущим, ныне же мы этим активно пользуемся.

Резко изменится характер многих профессий. Работу можно будет выполнять у себя дома. Преобразятся города, так как необходимость ежедневно ходить на службу станет делом прошлого. Изменится многое: наука, искусство. Уйдут в небытие многие традиционные отрасли промышленного производства, появятся совершенно новые, невиданные прежде специальности, многое будет пересмотрено и в человеческих отношениях…

Лесковский Левша все надежды своего искусства возлагал на свою ловкую в работе левую руку, на свое умение крошечными молоточками забивать уже совсем неразличимые гвоздики. Даже «мелкоскопа», по бедности, он не имел.

Сегодняшние левши, выковывающие интегральные схемы, так работать уже не могут. Пальцы человека оказываются слишком грубым инструментом. Им не под силу связывать проводящими ток полосками несметное количество миниатюрных транзисторов, резисторов, триодов, диодов, размещенных на полупроводниковых кристаллах, которые сами-то размером с ноготь мизинца.

Очень подивился бы Левша, понаблюдав обстановку, в которой создаются чипы. Помните, как свистовые, послы казака Платова, сорвали крышу маленького домика, где тюкали молоточками оружейники? Как вверх поднялась «потная спираль» воздуха такой густоты, что послы Платова попадали в обморок?.. А интегральные схемы изготавливают в специальных помещениях со строжайшим контролем чистоты воздуха.

И потому персонал одет так, словно это нейрохирурги. В рабочие помещения категорически запрещается вносить еду и питье. Главные операции идут под электронным микроскопом. Обстановка в этих цехах-лабораториях такова, словно бы тут действительно совершают хирургическую операцию на булавочной головке.

Вновь подчеркнем: мало найдется мест, более чистых, чем завод полупроводников. Потому что малейшая пылинка может испортить чип. Оттого-то рабочие и носят белые комбинезоны и стерильные маски. А воздух постоянно фильтруется, благодаря чему в одном его литре содержится всего лишь около четырех частиц-пылинок, имеющих размер полмикрона – в тысячу раз меньше, чем в операционной больницы.

Это сейчас. А в будущем при производстве суперчипов-миллионников, печатание схем на кремниевых пластинках должно совершаться в атмосфере настолько антисептической, что плотность пылинок должна уменьшиться еще в сотни раз.

Но такой обстановки (сверхчистота тоже может стать опасной для человека!) люди уже не смогут перенести. И придется чипам изготавливать чипы. С задачей может справиться только сам компьютер.

Технология ИС (интегральной схемы) начинается с проектирования светового изображения схемы на светочувствительную пленку, покрывающую кремниевый диск. Затем в процессе проявления (методами, схожими с проявлением обычных фотографий) схема отпечатывается на диске.

И вновь необычные заботы – даже тень от микропылинки (а совсем избавиться от пыли невозможно) сможет исказить рисунок: в схеме образуются дефекты. И тем более значительные, чем больше длина волны света. Вот и приходится заменять свет видимый ультрафиолетом, еще лучше – перейти на рентгеновские лучи. Но заманчивее всего выводить узоры сфокусированным пучком электронов.

К сожалению, машины, создающие сверхтонкие пучки электронов (а пучок тем тоньше, чем больше энергия разгоняемых электронов; следовательно, в ход идет уже ускорительная техника – то, что сейчас используется для исследований элементарных частиц), слишком дороги и слишком медлительны, если думать о массовом производстве чипов.

И все же гораздо большие препоны производству ИС возникают по иной причине. Оказывается, мельчайшие частицы любого вещества, достигнув сотни атомных размеров, приобретают совершенно новые свойства. Они, в сравнении с большими кусками того же вещества, ведут себя довольно странно.

Тончайшие полоски алюминия, к примеру, начинают извиваться, как змеи, когда по ним бегут электроны. Ну а это может вызвать короткое замыкание, и части ИС будут соединены уже совсем не так, как этого хотели проектировщики!

За все в этом мире надо платить! Ничто не дается даром. Запах цветов «оплачивает» химическая энергия растений, шум прибоя черпает силы в мощи ветра и волн, вся красота окружающего нас мира имеет истоком энергию идущих к нам от Солнца лучей…

Платить надо и за микроминиатюризацию. И когда затраты станут непомерно высокими, стремление к дальнейшему увеличению числа элементов на чипе может потерять всякий смысл.

Уменьшая размеры ИС, мы обязаны сохранить на некотором приемлемом уровне мощность электрических сигналов. Иначе они будут очень слабыми, просто не смогут быть восприняты. Но это значит, что плотность энергии на единицу площади ИС или на единицу объема кристалла с ростом числа элементов должна будет катастрофически нарастать, превосходя даже… плотность энергии, излучаемой поверхностью Солнца!

Этот момент нашего рассказа очень важен, задержимся еще на деталях.

Дело в том, что в ИС, которые, по сути, представляют собой переключательные устройства (каждый элемент схемы должен быть либо включен, либо выключен), в моменты переключений выделяется тепло. Чем щелканье чаще, тем больше нагревается схема в целом.

Вот так элементарная физика словно ставит преграды создателям суперчипов. Беда в том, что выделяющееся тепло, вызывая перегрев элементов схемы, создает так называемые токи утечки. Возникают паразитные, незапланированные, вредные перекрестные связи между компонентами микросхемы. Схема перестает работать как надо.

И это еще что! Когда плотность тока в пленочных проводниках нарастает, достигая миллиона ампер на квадратный сантиметр поверхности ИС, поднимается тепловая буря. Она несет с собой настоящий «электронный ветер». Электроны начинают «сдувать» атомы с их мест в кристаллической решетке. И микроэлементы выходят из строя.

По всем этим причинам и полагают, что предельный уровень транзисторов в одной микросхеме вряд ли превысит миллиардный рубеж, а размер одного транзистора не может быть снижен до долей микрона (до 10-5 сантиметров). Оно и понятно, скажем, резистор из поликристаллического кремния не может быть меньше микрона уже в силу того, что токи в нем перестанут подчиняться закону Ома.

Конечно, ученые и технологи делают попытки ослабить физические ограничения. Чтобы уменьшить выделяющееся в микросхемах тепло, исследователи переходят от полупроводников к сверхпроводникам, металлам, работающим при очень низких температурах. Погруженная в жидкий гелий (температура – 2040 по шкале Цельсия) сверхпроводящая сетка почти не потребляет мощности. И тут открываются новые горизонты для микроэлектроники.