Методические материалы, статьи

Транзистору — 50

Вчера: незамеченное великое открытие

30 июня 1948 года Ральф Боун, заместитель директора по науке лаборатории «Белл-телефон», сообщил журналистам о новом изобретении: «Мы назвали его транзистор, — он даже запнулся на этом новом слове, — поскольку это сопротивление (resistor — по-английски) из полупроводника, которое усиливает электрический сигнал ». По сравнению с громоздкими вакуумными лампами того времени транзистор выполнял те же функции с гораздо меньшим потреблением энергии и вдобавок имел много меньшие размеры.

Так выглядел первый твердотельный усилитель
Но пресса не обратила практически никакого внимания на этот маленький цилиндрик с торчащими проводками. Никто из репортеров, приглашенных на пресс-конференцию, не смог представить размах будущего распространения этого изобретения века.

Издатель такого супермонстра, как «Нью-Йорк таймс», отвел сообщению место на сорок шестой странице своего издания в разделе «Новости радио ». После известия о том, что вместо еженедельной программы «Радиотеатр «пойдет сериал «Наша мисс Брукс», сообщалось, что «вчера в лаборатории Белла был продемонстрирован новый прибор под названием транзистор, предназначенный для замены вакуумных трубок. Этот маленький металлический цилиндр размером в полдюйма не содержит сетки, электродов или стеклянного баллончика. Для него нет необходимости во времени разогрева ».

В то утро было слишком много других новостей, чтобы рождение транзистора было замечено. В начале недели советские войска отказались пропускать транспорт с продуктами в Западный Берлин. США и Великобритания ответили целым потоком самолетов в заблокированный город, забросив туда тысячи тонн продуктов и топлива, необходимых для нормальной жизни более двух миллионов берлинцев. Начиналась холодная война…

На снимке — авторы эпохального изобретения: Шокли (сидит), Бардин (слева) и Бриттен (справа)
Даже для самих изобретателей транзистор с самого начала был всего лишь компактной и экономичной заменой вакуумных трубок. В послевоенные годы электронные цифровые компьютеры занимали огромные комнаты и требовали доброго десятка обслуживающих их специалистов для регулярной замены перегоревших ламп. Только вооруженные силы и правительство могли позволить себе расходы на подобных гигантов.

Но сегодня мы можем сказать, что без того удивительного изобретения никогда не смогла бы наступить Информационная Эпоха. Небольшой цилиндрик, который изобрели полвека назад Бардин, Браттейн и Шокли, совершенно переменил мир, окружающий нас. Стоит поговорить о том, как они это сделали.

Начальству открытие транзисторного эффекта было продемонстрировано на полгода раньше, 23 декабря 1947 года. Честно говоря, сообщение было очень коротким. Уолтер Браттейн произнес несколько вводных слов и включил оборудование. На экране осциллографа было четко видно, как подаваемый сигнал резко увеличивался на выходе транзистора. Потом Браттейн зачитал несколько строк из лабораторного журнала испытаний, после чего демонстрация была закончена. От руководства компании «Белл «на ней присутствовали двое: заместитель директора по науке Ральф Боун и эксперт лаборатории Харви Флетчер. Никто не может сказать, что они подумали, но, по словам очевидцев, физиономии у них были достаточно кислыми. Вероятно, как и все нормальные начальники, Боун и Флетчер ждали рассказов об экономическом эффекте и внедрении. Но ничего такого высказано не было, а открытие-то было, наверное, второе по значимости после того, как за 70 лет до него Александр Белл позвал своего ассистента через первый в мире телефон: «Мистер Ватсон, вы мне нужны ».

Вильям Шокли начал мечтать о полупроводниковом усилителе десятилетием раньше, но ему ничего не удавалось сделать до тех пор, пока в 1945 году в лабораторию Белла не пришел блестящий теоретик Джон Бардин. Он вначале сидел в одной комнате с не менее блестящим экспериментатором Уолтером Браттейном, занимающимся полупроводниками аж с 1930 года. Будучи полной противоположностью друг другу по склонностям и темпераменту, они сдружились на почве общего дела и частой игры в гольф. Именно их совместная работа в подразделении Шокли и привела к открытию.

Первые месяцы после него Шокли буквально разрывали противоречивые эмоции. С одной стороны, рядом с ним сделано выдающееся открытие, которое назвали «лучшим рождественским подарком лаборатории Белла ». С другой — его вклада в открытие практически не было, хотя он бился над ним десять лет.

Но это противоречие сильно помогло транзистору. Сразу же после открытия Шокли исписывает страницу за страницей своих рабочих тетрадей, соединяя новое изобретение (суть и значимость которого он понимал, наверное, лучше всех) со своими старыми разработками. Бардин и Браттейн быстро потеряли интерес к чисто технологическим упражнениям своего шефа, и в их отношениях к концу сороковых годов наметилась определенная холодность. В 1951 году Бардин ушел на профессорскую должность в университет штата Иллинойс, а Браттейн отклонился от флагманского курса лаборатории и занимался самостоятельными исследованиями. Пути трех первооткрывателей пересеклись опять в Стокгольме, где им вручали Нобелевскую премию за 1956 год.

Лишь к середине пятидесятых годов физики и инженеры начали осознавать роль и значение транзистора, широкие же массы населения оставались в полном неведении. Миллионы радио- и телевизионных приемников по-прежнему представляли собой огромные ящики, заполненные электровакуумными лампами. После их включения приходилось ждать минуту, а то и больше, до начала работы, пока лампы разогревались. В 1954 году под транзистором еще подразумевалось нечто дорогое и изощренно-лабораторное с весьма специфическими применениями типа слуховых аппаратов и военной связи. Но в этом году все изменилось: небольшая компания из Далласа начала выпускать транзисторы для портативных радиоприемников, которые продавались за полсотни долларов. В то же время на рынке транзисторов появилась маленькая и никому неизвестная японская компания с приятным названием Sony, лучше американцев оценившая их перспективность.

В конце пятидесятых каждый приличный американский подросток имел транзисторный приемник. Но первые транзисторные телевизоры сделала Sony, и монополия США стала таять, не успев развиться.

Шокли, правда, тоже не терял времени и в 1955 году основал в северной Калифорнии полупроводниковую компанию, ставшую началом всемирно известной «Кремниевой долины ». Можно сказать, что Бардин, Браттейн и Шокли высекли первую искру, из которой разгорелся великий электронный информационный костер — у него все мы сегодня греемся.

Спустя полвека, возможно, как и полагается великому изобретению, история его создания обрастает легендами. Недавно она получила неожиданное развитие.

Небольшая компания АСС из американского штата Нью-Джерси заявила, что находится на пороге создания накопителя информации, равного которому на планете не было и нет. Емкость его — 90 гигабайт, и он в тысячу раз превосходит по скорости считывания самый быстрый из жестких дисков IBM. Мало того, по размерам он не превышает большой монеты или жетона для казино.

Президент АСС Джек Шульман называет технологию, по которой создан прибор, «transcapasitor ». По его словам, есть основания утверждать, что информация для ее воспроизводства извлечена из останков НЛО, якобы потерпевшего крушение в 1947 году в районе города Росвелл в штате Нью-Мексико. Материалы были переданы Шульману его знакомым, бывшим военным.

«Вначале я отнесся к его словам крайне недоверчиво и попросил предоставить доказательства, — рассказывает Шульман. — Тогда он прикатил четыре тележки с документами секретной научной лаборатории Министерства обороны. Эксперты подтвердили, что документы датируются серединой сороковых годов. Почти из чистого интереса мы воспроизвели по чертежам устройство, напоминающее полупроводниковый прибор. Оно заработало! Нам нужно 18 — 20 месяцев, чтобы довести образец до промышленной серии ». На все просьбы показать образец экспертам крупных компаний Шульман дает отказ, мотивируя его тем, что пока устройство не запатентовано.

Итак — опять «зеленые человечки»? В компьютерной сети «Интернет «есть уже специальная страница (www.accpc.com/roswell.html), посвященная новой технологии. Информация о работе Шульмана прошла в серьезном американском издании «PC World Online «и российском — «Computer World ». Мало того, редактор последнего опубликовал обширный комментарий о другом неожиданном событии — появлении транзистора.

Ведь он был изобретен как раз тогда, когда произошло это самое «нечто «в американском Росвелле. Высказываются гипотезы, что и его могли «подбросить «нам незадачливые инопланетяне. Аргументы сторонников подобных размышлений опираются на то, что транзистор был представлен общественности практически одновременно с первым объявлением в печати, сообщавшем о работе в абсолютно новом направлении. Есть слухи, что на месте «гибели инопланетян «американские военные нашли фрагменты кремния точь-в-точь с теми же свойствами, которыми обладал первый транзистор. При этом в СССР, несмотря на высокий уровень развития в нем науки,.ничего похожего сделано не было…

Единственное, что сильно смущает: статья о новом накопителе и рассуждения редактора о транзисторе напечатаны в номере от 31 марта 1998 года. Хоть и не первое апреля, но все же очень, очень близко…

Сегодня: проблемы и поиски

Я пишу эту статью на компьютере, содержащем десять миллионов транзисторов, — неплохое количество «душ «для владельца. И стоят они меньше, чем жесткий диск и дисплей. Даже десять миллионов скрепок стоят больше. Транзисторы продаются за бесценок потому, что сорок лет инженеры усиленно трудились над размещением все большего их числа на одной пластине кремния. Ежегодно число транзисторов на одной плате удваивается — сколько же будет продолжаться этот процесс?

Эволюция транзисторов и интегральных схем — 1948
Уже не раз скептики предсказывали, что близок физический предел миниатюризации, и каждый раз факты опровергали эти мрачные прогнозы. Чтобы не прослыть ни скептиком, ни фантазером, хочу поговорить максимально объективно о том, как будет развиваться твердотельная электроника и чем ей сможет помочь наука.

Некоторые физические ограничения неизбежно возникнут при постоянном сжатии размера транзистора. Задача соединения этих микроэлементов может стать невыполнимой. Уменьшение размера электрического контура приводит к тому, что приходится иметь дело с сильными электрическими полями, влияющими на движение электронов по проводникам. Кроме этого, постоянно растет тепловыделение. И наконец, размеры элементов становятся сравнимы с длиной волны излучения, при помощи которого они изготавливаются, — еще один предел.

Чтобы почувствовать взаимодействие этих пределов, давайте взглянем на работу современного полевого транзистора. По сути дела, это реле, принимающее два значения — ноль или единицу. В больших системах входные сигналы управляют транзисторами, которые передают обработанные сигналы на выход. Транслируются сигналы по проводникам, поэтому именно проводники определяют работу того же компьютера.

Эволюция транзисторов и интегральных схем — 1958
Полевой транзистор содержит канал и три электрода: катод испускает электроны, анод их получает, а сетка управляет проводимостью канала. Если электроны доходят от катода до анода, то транзистор открыт и находится в положении «включен ». Это возможно, если на сетку (по-английски этот термин звучит «gate «- ворота) подан положительный потенциал. Как раз на сетку и подается входящий сигнал, он может либо запереть транзистор, либо открыть его.

Но все это работает только в том случае, если проводники достаточно хорошо изолированы друг от друга. Прежде безопасным расстоянием считалось десять нанометров — на нем никак не проявляются такие квантовые эффекты, как туннелирование электронов. Однако в лабораториях уже исследуется расстояние в три нанометра — ожидается, что промышленное производство подступит к нему в пределах десяти лет.

Недавно ученые из лаборатории «Белл-телефон «изготовили «самый миниатюрный работающий транзистор «- его поперечный размер 60 нанометров, это всего-навсего длина цепочки из 180 атомов. Этот транзистор в четыре раза меньше самого маленького из ранее созданных, он успешно работает и показывает рекордные величины усиления. Потребление энергии у него в сто раз меньше, чем у современных транзисторов. И это хорошая новость.

Но вместе с тем есть и плохая: исследователи обнаружили, что идет туннелирование электронов через подложку, отделяющую канал проводимости от управляющей сетки. Пока оно не влияет на протекающий ток, но надо тщательнее изучить его последствия. По мнению руководителя работ Стивена Хилениуса, дальнейшее уменьшение параметров невозможно: «Похоже, мы сделали первый из последнего поколения транзисторов ».

Эволюция транзисторов и интегральных схем — 1964
В чем причина такого пессимизма? Да все в тех же названных проблемах. Прежде всего — в росте локальных значений электрического поля, который неизбежно сопровождает миниатюризацию. При комнатной температуре электроны движутся так же, как и под действием напряжения в 0,026 вольт. Эта величина называется «тепловым напряжением ». Поэтому управляющий сигнал должен быть заметно больше, чтобы преодолеть случайные колебания. Для транзисторов на основе кремния характерные величины подаваемых напряжений — от половины вольта до вольта. Даже такое небольшое напряжение, приложенное на очень малых расстояниях, порождает огромные электрические поля (напряженность поля равна напряжению, деленному на расстояние) и может привести к пробою воздуха, что, естественно, нарушит работу прибора. Нынешние транзисторы уже работают на пределе такого пробоя.

Миниатюризация увеличивает тепловыделение на каждый квадратный сантиметр. Причина чисто геометрическая: размеры проводов уменьшаются в одном направлении, а площадь кристалла сверхбольшой интегральной схемы (чипа) — в двух. Современные устройства выделяют до 30 ватт на квадратный сантиметр, это аналогично нагреву вещества до 1200 градусов, в десять раз выше кухонной скороварки. Конечно, подобного перегрева допускать нельзя ни в коем случае, поэтому разработано множество технологий охлаждения, которые, к сожалению, сильно удорожают стоимость чипов.

Следующая сложность связана с промышленным производством транзисторов. Их выжигают на подложках излучением, потом различные химические реакции доводят дело до конца. Но излучение трудно сфокусировать на большой площади, температура подложки может слегка меняться — это приводит к незначительным вариациям свойств разных транзисторов, что недопустимо. Причем с уменьшением размеров все сложности возрастают.

Эволюция транзисторов и интегральных схем — 1973
Возрастает стоимость устройств, создающих выжигающее излучение, да и поддержки подложек должны быть все более точными. Контроль качества становится сложной и дорогостоящей процедурой.

Чтобы создавать новые и все более миниатюрные чипы, совершенно необходимо просчитывать конструкцию на компьютере. Раньше движение электронов по проводнику описывалось простыми законами электричества, но теперь провода стали столь миниатюрными, что электроны движутся по ним не устойчивым потоком, а случайными толчками. Их просто невозможно просчитать с требуемой точностью, поэтому резко усложняется и процесс разработки новых чипов.

Как же быть? Что ждет нас впереди?

Размышления о будущем транзистора заставляют нас обратиться к его триумфальному полувековому шествию. Оно не было случайным. По сравнению с предшествующими вакуумными лампами транзисторы были простыми, дешевыми и эффективными. «Потомкам «транзистора придется очень нелегко, поскольку его надо будет превосходить сразу по нескольким совершенно разным параметрам.

Давно уже ведутся поиски «световых «альтернатив транзистору. Свет хорош тем, что фотоны не взаимодействуют друг с другом — нет сильных полей, нет перегрева и прочих сложностей транзистора. Но есть у него и свой минус: взаимодействие сигналов — существенная деталь работы любого электрического контура. Свет все равно придется превращать в электричество, а это — целый комплекс новых проблем. Впрочем, об оптических вариантах транзисторов разговор еще впереди.

Итак, ситуацию трудно назвать оптимистичной: виден конец эпохи полупроводниковых транзисторов и нет им достойной замены. Однако в науке часто бывает так, что тупиковые ситуации приводят к революционным изменениям и триумфальным находкам. Не забывайте, что транзисторы «убыстряются «и уменьшаются в конечном счете для того, чтобы наши дети носили в кармане школьного ранца электронную копию всех книг Ленинской библиотеки и могли с помощью карманного калькулятора запросто обыграть Гарри Каспарова.

Игра стоит свеч!

Завтра: свет вместо электронов

С тех пор, как были изобретены первые транзисторы, эти устройства сильно продвинулись в своем развитии. Но аппетиты компьютерщиков ненасытны — им надо все быстрее и быстрее, все больше и больше операций в секунду. Электроны, по мнению современных проектировщиков, слишком медленно бегут по проводам, и компьютерщики за помощью обращаются к свету.

Будущее поколение компьютеров может стать гибридным: кремниевые чипы станут соединяться при помощи лазерных пучков света. На смену металлическим проводам придут линзы, призмы и зеркала. Отсюда и название: оптика свободного пространства. Современные компьютеры передают миллионы байт в секунду. Гибрид позволит продвинуться к терабайтам (это миллион миллионов) и петабайтам (миллион миллиардов).

У компьютера на основе световых «проводов «есть три явных преимущества. Во-первых, ничто не может двигаться быстрее света. Во-вторых, световые фотоны не взаимодействуют друг с другом (в отличие от электронов),и поэтому любое число пучков света может проходить через узкий коридор. И в-третьих, для прохождения света не нужно ничего — только воздух.

По мнению Джулиана Динса из оптоэлектронной группы Эдинбургского университета, внедрение гибридных компьютеров может наступить гораздо быстрее, чем кажется. «Большинство технологических проблем уже преодолено, — отмечает он. — Надо решить лишь чисто инженерные вопросы: как сделать лазеры, линзы и зеркала достаточно маленькими, надежными и недорогими, чтобы из них можно было построить работающий компьютер ».

Эволюция транзисторов и интегральных схем — 1985
Сегодня все удовлетворены тем качеством электронных чипов, которые производит, скажем, компания «Интел», но узким местом стало их соединение. Проблема состоит в том, как прикрепить к малюсенькой микросхеме несколько сотен металлических проводов. Оптических же выводов может быть много тысяч, причем выходить они могут со всех сторон микросхемы. Одно это усовершенствование может повысить быстродействие современных вычислительных машин в несколько десятков, а то и сотен раз, и приблизиться к вожделенному «терабайту «в секунду. Подобный рост возможных соединений позволит развивать новые сетевые структуры компьютеров типа нейронных сетей и параллельных процессоров.

Как подмечает Эндрю Кирк из фотонной группы канадского университета Макгилл, компьютерная индустрия словно проснулась и обнаружила наличие методов оптики свободного пространства. На первом этапе свет будет использоваться для связи между электронными чинами, но в перспективе он может забраться и внутрь них самих — когда перемещение электронов станет слишком медленным для возросших скоростей счета.

Проблема большого числа соединений — неотъемлемая черта любого компьютера. Процессоры, элементы памяти, клавиатура, терминал и другие его части постоянно обмениваются информацией. Быстродействие процессоров постоянно растет, увеличиваются и ее потоки. А инженеры знают, что при пересылке нулей и единиц быстрее некоторого предела они просто начинают сливаться друг с другом. Кроме того, увеличение потоков приводит к тому, что провода начинают работать как антенны — излучать электромагнитные волны и влиять на «соседей ». Приходится их тщательно экранировать, а это увеличивает их толщину и стоимость. С другой стороны, стремление подвести к процессору все больше и больше проводов-соединений заставляет делать их все более тонкими. Но чем тоньше провод, тем больше его сопротивление и потери на нагревание.

В общем, нет никаких сомнений, что стремительное развитие компьютеров натолкнется на непреодолимые трудности, если продолжать использовать проводные соединения. Чтобы выйти из тупика, надо обратиться к соединениям оптическим. Идеологически все очень просто: электронные импульсы в компьютерном чипе преобразуются в тонкий пучок света. Есть он — это «1», нет его — «О ». Поток света проходит через сеть крошечных призм и линз и достигает места назначения. А там специальная фотоячейка превратит его вновь в электрический сигнал. Главные требования к оптической системе — потреблять мало энергии, быть дешевой, простой и компактной.

Эволюция транзисторов и интегральных схем — 1997
Много всего было перепробовано, в частности, светодиоды всех типов, но оказалось, что лучший кандидат — многоквантовый источник, разновидность электрического затвора, и микроскопический лазер под названием «виксел ». Оба устройства сделаны на основе арсенида галлия, что позволяет производить их, как компьютерные чипы, поточным образом в многослойных структурах.

Многоквантовый источник был придуман специалистами американской лаборатории Белла в штате Нью-Джерси для полностью оптического компьютера. Однако десятилетние исследования показали, что эта идея пока невоплотима, но разработки вполне применимы в гибридном компьютере. Этот источник — «вафля «из полупроводниковых слоев, которая может очень быстро становиться то зеркальной, то мутной под воздействием электрических сигналов. Отраженный свет — это единица, а неотраженный — ноль. Кроме того, в каждой «вафле «есть маленькое окошко-фотоячейка, где падающий свет преобразуется в электрический сигнал.

Первоначальной идеей было создание оптического эквивалента транзистора. Но в гибридном компьютере эти ячейки облепляют процессор и служат для него «переводчиками «световых сигналов в электронный вид. В лаборатории уже создан процессор с тысячью таких ячеек размером не более 15 микрон каждая. Свет на ячейки поступает от внешнего лазера, пучок которого расщепляется на множество (32 х 32) маленьких пучков. Первые эксперименты с таким процессором показали, что он может вводить в тысячу раз больше информации, чем современный суперкомпьютер «Крей ». Осталось лишь довести опытный образец до коммерческого использования.

Разрабатывается и альтернативный вариант подобным ячейкам: крошечные твердотельные лазеры на каждом входном-выходном канале — «викселы ». До недавнего времени такие лазеры были слишком велики, только-только их научились встраивать в многослойные полупроводниковые структуры, где они выглядят, как светящиеся окошки микронебоскреба. И все равно «викселы «пока крупноваты по сравнению с ячейками — 250 микрон. Но инженеры лаборатории Белла считают, что уменьшение их в десять раз — лишь вопрос времени, причем не слишком долгого.

В Калифорнийском университете уже созданы и линзы с поперечником всего в две сотни микрон. Один из сложных технологических процессов — их закрепление. Есть опасение, что температурные колебания, движение воздуха, влажность могут оказывать влияние на линзы, клей и подложку, слегка деформировать систему и нарушать работу компьютера. Все это предстоит проверить и отработать.

В лаборатории университета Макгилл и других институтах уже построены прототипы таких компьютеров. Их части тщательно пригнаны одна к другой и удерживаются на своих местах мощными магнитами. Конечно, это не вариант для массового производства.

Однако Эндрю Кирк считает, что главное препятствие на пути новых гибридных компьютеров — чисто психологическое, как у всякой новой революционной технологии. Но это один из наиболее перспективных путей к суперкомпьютерам будущего.

Американское космическое агентство НАСА поставило перед собой цель к 2010 году построить компьютер мощностью в петафлоп — это миллион миллиардов операций в секунду. По мнению его специалистов, никакой альтернативы оптическому способу передачи информации при таких скоростях быть просто не может. Между прочим, петабайт информации — это миллиард книг или 2300 лет «прокрутки «видеоленты. Вот какой объем данных будет переносить этот компьютер за секунду.

И в заключение несколько слов об отношении к новым технологиям — ради полной объективности. Марк Бор из исследовательской группы компании «Интел «считает, что устранить сложности с соединениями можно, перенося все больше функций на один микрочип. Современные микропроцессоры, к примеру, снабжены «кэш-памятью», что позволяет им хранить часто используемую информацию.

Очень сильный аргумент «против «оптического компьютера — мощнейшая индустрия электронных чипов со всемирной инфраструктурой и многомиллиардными оборотами. Кто победит — новое или деньги, — судить не нам, поживем — увидим. Во всяком случае, несколько лет назад о новой технологии говорили лишь единицы энтузиастов, а на последней посвященной ей конференции весной 1997 года были замечены инженеры из компаний IBM, Cray и Digital. Похоже, что теперь надо говорить не о том, «будет ли оптическая революция», а о том, «когда она наступит ».

Александр Алешин



См. также:
Что собой представляют бездепозитные бонусы?
Почему важно выбирать респектабельное интернет-казино
Конно-спортивный комплекс
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Создать хороший сайт Создание сайтов. Разработка интернет сайтов очень ответственный процесс. Напрямую от которого зависит статус вашего сайта, лояльность клиентов и конечно источник дохода.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005