Микроминиатюризация

Микроминиатюризация

Направление технического прогресса, 
преследующее цель уменьшения габаритов, 
веса и потребления энергии при одновременном 
повышении надежности аппаратуры и 
облегчении автоматизации ее производства. 

Куда стремится карлик!

Есть у летчиков песня-марш, слова припева которой - главная характеристика их стремлений: "Все выше, и выше, и выше..."

Если бы такая же песня была у создателей электронных вычислительных устройств, то в припеве они обязательно поставили бы слова: "Все меньше, и меньше, и меньше..."

Судите сами.

Вот "Эниак", которому недавно поклонялись вычислители. Сложная 30-тонная громадина в зале площадью 150 м², 40 отдельных панелей, 18 тысяч электронных ламп, 1500 электромеханических реле. Поразительные числа!

А другой ветеран - "Тридаг"? Он занимал целое здание с трансформаторами, электродвигателями, установками для охлаждения воздуха, насосными станциями. И все это для обслуживания 8 тысяч электронных ламп и 2 тысяч реле.

В наше время судьба электронной машины в какой-то степени напоминает изменчивую судьбу многих фильмов. Еще не успев удивить мир, она становится музейным экспонатом, редкостью большей, чем, допустим, автомобиль начала века. Именно такая участь постигла первые вычислительные машины.

В чем же причина "быстротекучести жизни" этих гигантов? Почему погибли эти "мастодонты" вычислительной техники? Главным образом, из-за своих больших размеров и, конечно, роковой медлительности...

Считали гиганты хотя по тем временам и быстро, но... медленно: от десятков до сотен вычислений в секунду, не больше.

О величине одной из первых электронно-вычислительных машин можно судить по фигуркам людей около этого гиганта

Современные же наука и техника выдвигали такие задачи, что даже подумать об их решении было страшно. Возникала необходимость проделывать десятки триллионов арифметических операций! Если вычислять со скоростью десять тысяч операций в секунду, то и тогда понадобилось бы свыше четырех лет непрерывной работы быстродействующей машины. Например, для решения задачи по планированию и управлению народным хозяйством необходимо провести 10 000 000 000 000 000 вычислительных операций - единица с шестнадцатью нулями, 10 квинтильонов. С такой чудовищной работой могут справиться лишь три с половиной миллиона тихоходных машин. Конечно, это нереальный выход. Остается одно: заставить машины считать быстрее...

Сосчитать до миллиона, трудясь по восемь часов в день, вы смогли бы за три с половиной месяца. А до миллиарда добрались бы лишь за... 500 лет. Машина - быстрее. Но быстрее - понятие относительное. Как быстрее? За день, за час, за минуту?

Во сколько раз - вот в чем вопрос. И еще: какими должны быть быстродействующие машины, из каких элементов их делать, каких размеров они достигнут?

Теперь, когда вычислительная техника имеет уже свою историю, можно, оглянувшись на нее, увидеть, как изменились машины от поколения к поколению, проследить тенденцию их развития.

Предки нынешних машин - это электромеханические тихоходы, во-

бравшие в себя всю премудрость 40-х годов. Время срабатывания в устройствах этих машин измерялось миллисекундами.

Первое поколение современных вычислительных машин заявило о себе ровным гулом электронных ламп в серых металлических шкафах. Жили они не очень долго - с 1946 по 1957 год. Плотность монтажа у них была 0,01-0,10 элемента на кубический сантиметр. А скорость? Она измерялась уже в микросекундах. Лишь только у этих машин стали проявляться первые проблески "ума", как люди поспешили назвать их "думающими" и начали - лихорадочно прикидывать, какой величины будут машины, чтобы сравняться с мозгом. Вывод был неутешительным. Величина "электронного мозга" - с самый большой небоскреб. Чтобы охладить такую громаду, нужен Ниагарский водопад.

Еще, так сказать, в недрах первого поколения стали зарождаться машины второго поколения.

Во втором машинном поколении главную роль играют полупроводники. Если самая лучшая электронная лампа работает не более 5 тысяч часов, то полупроводниковое устройство - 70 тысяч. По сравнению с ламповой колбой полупроводниковый прибор размером со спичечную головку выглядит совсем карликом. У него оказалось много ценных свойств - у новых машин повысилась надежность, энергии они брали мало и прекрасно обходились без охлаждения. Их размеры настолько сократились, что конструкторы начали поговаривать уже о настольных вычислительных агрегатах, которые заняли бы место традиционных арифмометров.

А скорости? Десятая, сотая доли секунды на операцию? Нет, гораздо быстрее - тысячные и десятитысячные!

С появлением машин второго поколения стало ясно, что дальнейший путь уменьшения их размеров - это не только уменьшение объема частей всей машины, но и главным образом сокращение размеров отдельных ее деталей, повышение плотности их упаковки, уменьшение числа да и размеров всех связей - соединений между узлами. Чего только не придумывали теперь конструкторы, чтобы превратить машину в карлика!

И вот еще недавно горделиво всюду в электронике выступавшие простые транзисторные устройства скромно отошли на второй план. На смену им в борьбу за уменьшение размеров вычислительных машин и за увеличение скоростей их работы вступили новые устройства. Много их было: оптотроны и криотроны, высокочастотные транзисторы и туннельные диоды, спасисторы и твисторы, биаксы и трасфлюксо-ры, персисторы и криозары, парметроны и текнетроны. Сразу стало возможным десятикратное и больше уменьшение объема различных устройств. И счет скоростей пошел теперь на стотысячные и даже миллионные доли секунды.

Но и этот пестрый хоровод сверхминиатюрных, сверхбыстрых, сверхнадежных устройств в конце концов уступил место тонким пленкам - "кирпичикам" машин третьего поколения.

На отрезке в два десятилетия смена трех поколений вычислительных машин! Начало 50-х годов - ламповые, начало 60-х годов - транзисторные, начало 70-х годов - интегральные схемы (тонкие пленки).

Путь микроминиатюризации

Из новых "кирпичиков" удалось создать мир маленьких гигантов, воздвигнуть электронные города необычной архитектуры. Если раньше конструктор мог с гордостью показать вычислительное устройство машины чуть больше баночки из-под килек, то теперь инженеры хотят разместить в одном кубическом дециметре 350 тысяч схем.

Что же за волшебница эта тонкая пленка? Откуда у нее такие возможности, что . она позволяет конструкторам столько сделать?

Обычно пленки получают напылением. Нужный материал нагревают в вакууме - почти в пустоте - при одной миллиардной доле атмосферы. Он испаряется и оседает на стеклянной или металлической пластинке. Эта тонкая работа усложняется во много крат из-за необходимости осаждать частички не как попало, а по строго определенному геометрическому узору. "Электронное вышивание" достигается тем, что напыление ведут через отверстия шаблона-маски и весь процесс повторяют еще и еще раз. Слои пленки в схемах - а слоев бывает десять, пятнадцать и больше - должны совпадать по структуре один с другим с абсолютной точностью. Ничего не нужно добавлять к характеристике сложности этой работы, если назвать толщину пленки: всего 100 ангстрем - одна стотысячная миллиметра! Да и можно ли здесь употреблять слово "толщина", если пленка не достигает и десятитысячной доли толщины бритвенного лезвия?

Пленочные микросхемы - это уже целые законченные электронные схемы. Значит, перед нами не искусство монтажа из отдельных блоков, из отдельных "кирпичиков", а виртуозное владение веществом, когда каждая его частичка по воле создателя занимает то место, которое он предпишет ей занять. Вот что становится главным сегодня для строителей машин.

100 миллионов приборов в кубическом миллиметре, мгновенные скорости переключения - вот что такое элементы машин третьего поколения. Абсолютное превосходство карликов над гигантами! Карлики вновь победили, отворив дверь в неслыханное и невиданное раньше царство, над входом в которое написано: "Наносекунда" - миллиардная доля секунды.

Такую скорость вычислительной машины, как ни парадоксально, невозможно ни увидеть, ни представить - ее можно только получить, ею можно только пользоваться! Торжество техники полное: руками сделано то, что бессильно представить себе воображение.

Но, как это обычно бывает в технике, ее очередной успех еще на шаг приближает нас к очередному препятствию. Быстродействие машин третьего поколения ограничено скоростью распространения электрических импульсов в твердом теле.

Препятствие заставляет идти в обход.

Вот эта дорога, как ее рисуют специалисты. Созданы микроскопические устройства для преобразования электрических сигналов в световые и световых - в электрические. Появилась и волоконная оптика - тонкие прозрачные нити, позволяющие направлять свет по любому прямолинейному или криволинейному пути между элементами схемы, подобно тому как по металлическим проводам движутся электронные потоки. В результате в упряжку электроники удалось включить наряду с электроном также частицу света - фотон.

Элементы микроминиатюризации. Микромодули - блоки из микроэлементов, выполняющих функции вычислительной ячейки. Интегральные схемы - группы элементов. Существуют целые ассоциации интегральных схем - БИС: большие интегральные схемы. Совершенно новые устройства - оптико-электронные - с применением лазеров

Потоки информации в оптико-электронных устройствах текут как по электрическим, так и по оптическим каналам, на стыках которых стоят микроскопические оптико-электронные и электро-оптические преобразователи. Применение оптических связей и оптических методов обработки информации дало электронике вторую степень свободы - существенно расширило ее возможности, открыло новые перспективы. И вот вырисовываются контуры машин четвертого поколения. Их "оживит" не электрический ток, а луч света. Теперь уже не образом, почти реальностью зазвучат слова: "машина светится мыслью".

Оптические вычислительные машины будут построены на совершенно ином принципе, чем электронные. Импульсы света длительностью в стомиллиардную долю секунды почти мгновенно включают и выключают систему лазеров.

Фантастические скорости определили и фантастические размеры машин - предельно малые. Ведь вычислительной ячейкой в этих светоносных машинах послужит молекула или даже атом. Здесь самый острый вопрос - надежность. Даже тульский Левша, подковавший блоху, признал бы себя беспомощным при необходимости отремонтировать вычислительную кроху. Значит, нужна безотказная машина. Да она вообще не должна ломаться, решили инженеры. Такие устройства есть: природа, например, выпестовала мозг человека. Надежность его безупречна. Он работает без ремонта и без остановок примерно лет 70, хотя за каждый час человеческой жизни отмирает около 1000 нейронов, а за всю жизнь - около 500 миллионов нейронов. Так почему же не воспользоваться опытом природы?

Не слишком ли смелая мысль создать машину с надежностью мозга? Не беспочвенное ли это мечтание? Оказывается, нет. Можно построить некое лазерное устройство из стекловолокна, которое будет в принципе работать, как живой нейрон. Светопроводы - волокна - сыграют роль нервов в передаче импульсов. Схема работы машины будет имитацией действия нейронов мозга и нервной системы. Этот гибрид техники и электроники станет, по сути дела, синтетическим мозгом.

Казалось бы, достигнут верх желаний: и невообразимые скорости, и удивительная надежность, и предельная компактность. Но впередсмотрящие, те, кто неустанно вглядывается в будущее, уже различают в туманной дали очертания машин пятого поколения.

Если вы внимательный читатель, то заметили, что написано просто: "машин пятого поколения". Без всяких эпитетов, без ставшего уже привычным "думающих", или строгого - "вычислительных", или смелого - "мыслящих". Почему?

Считают, что машины пятого поколения, возможно, произведут революцию в технике, какую произвели 20 лет назад вычислительные электронные устройства, заменившие электромеханические. Ведь количество логических операций в секунду будет обозначаться тогда числом не менее, чем 10²⁰! Попробуй подыщи эпитет для этой машины. К тому же и принцип работы ее будет совершенно иным.

Представьте, что вы читаете эту книгу не по строчкам, а сразу целыми страницами, не последовательно, нанизывая одну строчку на другую, а единым взглядом. Именно таково действие машин пятого поколения, проекты которых уже существуют. Они смогут обрабатывать исходные данные целыми "массивами". Вычислительный элемент воспримет не строчку, а целую картину, даже не картину, а десять тысяч картин кряду, каждая из которых будет содержать 10¹⁰ двоичных знаков информации. Напрасно вы будете искать у новых машин каналы для передачи световых и электронных сигналов. Это странные, почти бестелесные создания.

Грубо говоря, принцип их работы напоминает эпидиаскоп, посылающий изображение на экран молниеносно и накладывающий их одно на другое. Огромную библиотеку из 500 тысяч томов вместит машинная "память", если ее сделать на "картинах".

И информация из нее будет выбираться не по адресному принципу, когда приходится искать и "улицу" и "дом", чтобы попасть в нужную ячейку, а ассоциативно.

Все, что мы запоминаем, связано между собой, запоминается группами, а не изолированно. Вспомните, у писателя Константина Паустовского в "Золотой розе" есть цепочка ассоциаций: от красного свитера через Эйзенштейна на улице в Алма-Ате, через историю завоевания Америки, через талант Горького-рассказчика, через рассвирепевшего Марка Твена, через Гекльберри Финна, держащего за хвост дохлую кошку, к памятнику лермонтовскому Максиму Максимычу или Бэле. Это работа нашей памяти, памяти человека. Так будет работать и "память" новых машин, которые еще до появления получили романтическое название - машины "картинной логики" или машины "картинной арифметики".

Переднами прошли пять поколений машин. Обратили ли вы внимание, как стремительно растут их возможности и как при этом не менее стремительно уменьшаются их размеры? С какой стремительной быстротой подобные машины уходят от привычного понятия "машина" и становятся совершенно невообразимыми!

Где же может окончиться дорога миниатюризации и имеют ли машины предел в своем развитии?

История пяти поколений утверждает - нет! А как же быть с ограничениями, накладываемыми законами природы, например с постоянностью скорости света?..

Никуда не денешься от того, что скорость передачи информации ограничена скоростью света. Поэтому будущую оптическую машину надо построить так, чтобы луч света проходил в ней наименьшие расстояния. По всей видимости, она будет иметь форму шара, поскольку известно, что из всех тел одинакового объема у сферы-наименьшая поверхность.

Когда мы переходим из привычного нашего мира в микромир, то сталкиваемся с иными законами, иными "порядками". В нашем мире емкость вычислительных машин ограничена верхней границей плотности, с которой можно заполнить "память" машины. А в микромире это совсем не страшно - ведь один кубический сантиметр предельно тяжелого ядерного вещества весит 114 миллионов тонн. Какое гигантское количество информации можно вложить в материю такой плотности! А живая природа? Подумать только: в объеме, равном дождевой капле, можно заключить материальную основу, передающую генетическую информацию всего населения земного шара - трех миллиардов человек.

Здесь уместно заметить, что нервные элементы человеческого мозга- каждый из них - работают медленно. Выполнение операции проходит приблизительно за секунду. Медлительность компенсируется гигантской избыточностью - элементов много. Подсчитано, что элемент, работающий одну миллионную долю секунды, совершает теоретически, конечно, ту же работу, что и тысяча элементов, работающих по одной тысячной секунды. Естественно подумать: а не начнут ли конструкторы работу в обратном направлении - заменять скорость количеством? Раньше на этом пути стояла преграда-размеры элементов машин. Но такой преграды в будущем, как мы видели, может и не быть.

Изобретательность природы, ее умение экономно упаковывать информацию подсказывает конструкторам дорогу, по которой ближе всего к достижению цели.

Сегодня еще трудно определить место будущих машин в жизни человека. Что станут делать интеллектуальные автоматы, запоминающие быстрее, чехМ мозг человека, и думающие быстрее человека? Неизвестно. И не потому, что ответ на этот вопрос - дело далекого будущего: не исключено - подобные машины станут нашими современниками. Дело в другом. Просто ученым до сих пор неясно, каконы будут взаимоотношения между творцом и его таким удивительным созданием.

Куда стремится карлик!