Наука и техника - Человек и прогресс

Микро-ЭВМ

2011-11-12T12:50:55Z

Микро-ЭВМ вовсе не обязательно должна быть вычислительной машиной в собственном смысле этого слова. Она может просто представлять собой микропроцессор, имеющий, кроме набора интегральных схем, «мозга», занятого обработкой информации, еще блок памяти, где информация накапливается, и логическое устройство, предназначенное для выполнения определенных задач. Поэтому соответствующим образом ориентированная микро-ЭВМ может быть встроена буквально в любую вещь: электроплитку, стиральную машину, автомобиль, радиоприемник, кассовый аппарат, духовку, светофор. И все эти устройства — от станков до кофемолок — приобретают толику электронного разума, становятся благодаря встроенным в них «чипам» умнее.

Придет время, и «разумный» телефон станет будить вас по утрам, напоминать о заботах дня, о сроках, по первой просьбе соединять с абонентами, отвечать в ваше отсутствие на телефонные звонки. «Разумный» телевизор будет запоминать все ваши зрительские пристрастия и пожелания. В должный момент он включит нужный канал, повторит те передачи, которые вам не удалось увидеть или же которые вам хочется посмотреть еще раз вместе с друзьями. Одаренный «интеллектом» кухонный комбайн, получив задание, сам подберет меню, сам в нужной последовательности включит кухонное оборудование и сам приготовит пищу по новомодным рецептам, по всем строгим требованиям гигиены и тонкого вкуса.

Умные вещи

2011-11-12T12:51:20Z

Умные вещи начали создавать еще в 80-е года. Японский телевизор фирмы «Тошиба» может сам выключаться в заданное время, скажем, ровно в полночь. При этом обязательно мягким голосом пожелает своим хозяевам спокойного сна. «Заметив» — специальное ультразвуковое приспособление,— что ты сидишь слишком близко к экрану, телевизор тут же произносит заученную сентенцию: «Чтобы сберечь зрение, пожалуйста, отсядьте подальше». Обнаружив, что перед ним никого нет, сам себя выключит, предварительно произнеся печальным тоном слова: «Теперь я должен погаснуть»...

Со временем в каждом доме, считали эксперты 80-х годов, 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. Именно это мы и наблюдаем в наши дни.

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...

Обстановка, в которой создаются чипы

2011-11-12T12:52:57Z

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 с 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 микроскопом. Обстановка в этих цехах-лабораториях такова, словно бы тут действительно совершают хирургическую операцию на булавочной головке.

Заводы полупроводников

2011-11-12T12:53:35Z

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 обстановке (сверхчистота тоже может стать опасной для человека!) люди уже не смогут перенести. И придется «чипам» изготавливать «чипы». С задачей сможет справиться только компьютер.

Технология ИС

2011-11-12T12:54:00Z

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

И вновь необычные заботы — даже тень от микропылинки (а совсем избавиться от пыли невозможно) может 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.

Проблемы производства ИС

2011-11-12T12:54:36Z

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 сотен 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!

Обратная сторона микроминиатюризации

2011-11-12T12:55:01Z

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 единицу объема кристалла с ростом числа элементов должна будет катастрофически нарастать, превосходя даже... плотность энергии, излучаемой поверхностью Солнца!

Пределы микроминиатюризации

2011-11-12T12:55:29Z

К сожалению существуют пределы микроминиатюризации. 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 миллионов 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 количества 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.

Новые горизонты для микроэлектроники

2011-11-12T12:56:10Z

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 —204° по шкале Цельсия) сверхпроводящая сетка почти не потребляет мощности. И тут открываются новые горизонты для микроэлектроники.

И все же транзисторный путь микроэлектроники где-то должен себя исчерпать. Похоже, что изготовление более компактных ИС вскоре начнет становиться все дороже. И тогда «овчинка не будет стоить выделки»!

Поиск обходных путей

2011-11-12T12:56:32Z

Если говорить образно, то сложившуюся в микроэлектронике ситуацию можно изобразить так. Представьте, вы вышли прогуляться в ветреную погоду. Свежо, приятно дышится! Ветер крепчает, что ж, тем приятнее одолевать его сопротивление... Но вот уже поднимается настоящий вихрь, он валит вас с ног, вы задыхаетесь... Тут уж волей-неволей приходится поворачивать, возвращаться домой...

«Вихри» электроники. Вряд ли стоит упорствовать, если обстоятельства сильнее вас. И технологи — изготовители ИС — ищут обходные пути. В проводниках выделяется вредное тепло. А нельзя ли вовсе избавиться от проводящих дорожек? В микромире ведь понятие траектории, как известно, отсутствует, тут частицы — тот же электрон — могут двигаться в том или ином направлении лишь с определенной вероятностью. Таковы уж необычные законы квантовой механики.