Естественные науки: от уменьшения до увеличения масштаба
То же самое, но меньше
Если бы Альбрехт Дюрер (1471–1528) зашел в один из цехов компании Intel по производству полупроводников, происходящее показалось бы ему на удивление знакомым. Знаменитый немецкий художник и интеллектуал, Дюрер одним из первых применил технику травления по металлической пластине. Он брал плоскую железную пластину, покрывал ее лаком, затем процарапывал на ней рисунок острой иглой, после чего погружал пластину в кислоту, которая разъедала железо в местах царапин, и таким образом переносил рисунок на металл. Этот процесс в целом совпадает с тем, с помощью которого мы сегодня создаем транзисторы на микросхеме. Железо мы заменили кремнием, а иглу художника – ультрафиолетовым лучом, но концепция осталась неизменной.
Основное различие заключается в масштабе. Дюрер вытравливал на металле тонкие линии менее чем в миллиметре одну от другой – мы гравируем на кремнии компоненты в миллион раз тоньше. Мы делаем это потому, что одно из основных правил инженерного дела гласит: если можно сделать то же самое меньшего размера – это хорошо. Меньше значит дешевле, потому что потребуется меньше сырья и материалов. Меньше значит энергоэффективнее, потому что необходимо преодолевать меньше инерции и силы трения. Кроме того, меньше значит быстрее, потому что подвижным деталям приходится преодолевать меньшее расстояние. Это простая физика.
Тот же принцип, но в миллион раз меньше
а) Гравюра на железной пластине
Альбрехт Дюрер (1518). Пейзаж с пушкой.
Из собрания Британского музея
б) Гравированная кремниевая пластина
Фото: Eric Gorski (2010)
Закон Мура и связанное с ним семидесятилетнее свободное падение вычислительных затрат является лучшим подтверждением пользы уменьшения масштаба в естественных науках. Компьютер производит вычисления с помощью набора переключателей, каждый из которых может находиться в положении «вкл» или «выкл», единица или ноль. Чем больше таких переключателей мы можем уместить в одном пространстве, тем больше вычислений можно будет сделать в секунду. Первые переключатели, вакуумные трубки, были размером с большой палец; в 1946 г. 20 тысяч таких переключателей заполняли помещение размером в две трети теннисного корта. В 1950-е гг. инженеры заменили трубки отдельными транзисторами размером с ноготь – 10 тысяч таких транзисторов заполняли шкаф размером с холодильник. В 1960-е гг. ученые догадались, как можно гравировать транзисторы непосредственно на кремнии. К 1970 г. на одном ногте могло уместиться более 2000 транзисторов, к середине 1980-х гг. – 20 миллионов. Современные транзисторы стали еще в 50 раз меньше, их размеры достигают всего 10–30 нанометров (миллиардных долей метра). На одном ногте легко поместился бы миллиард таких транзисторов, а 5 миллионов могли бы заполнить точку в конце этого предложения, вот здесь [17]. Каждый из них является действующим электромагнитным переключателем. Пропустите через него поток электронов, и это единица; отключите поток электронов, и это ноль.
В 1965 г. Мур предположил, что его эмпирический закон будет сохранять силу в течение следующего десятилетия, – но он продержался еще полвека. На протяжении пятидесяти лет каждый раз, когда мы хотели извлечь больше мощности из наших электронных устройств, инженеры обращались к искусству гравирования, изобретенному в XVI в., чтобы найти способ сделать технику еще меньше. Но наши компьютеры все еще не способны решать широкий круг сложных вопросов в полезные сроки. Некоторые из этих вопросов старые (какой будет погода через две недели?), многие новые (сложится ли белок, который я только что синтезировал, в полезную молекулу?). Уменьшение масштаба не может бесконечно удовлетворять нашу жажду скорости. Размер самых маленьких атомов 0,05 нанометра; это фундаментальный предел уменьшения масштаба строительных блоков. Но задолго до того, как мы подойдем к этому пределу, в масштабе примерно около 10 нанометров знакомая нам физика прекращает действовать, и ей на смену приходит другой набор правил – квантовая механика.
Физические пределы
С точки зрения масштаба разница между метром и нанометром такая же, как между всей планетой Земля и небольшим камешком. Раздел физики, объясняющий, как ведут себя микроскопические строительные блоки вещества и энергии – атомы, фотоны, электроны и т. п., – называется квантовой механикой. Самые ранние теоретические работы о свойствах квантов восходят по меньшей мере к 1877 г., а в XX в. знаменитые физики – Бор, Планк, Гейзенберг, Шрёдингер и др. – сделали ряд фундаментальных открытий, которые заставили ученых воспринимать мир в новых, квантовых терминах. Но лишь в последнее время мы получили возможность 1) увидеть воочию квантовые свойства, которые предсказали эти физики, и 2) манипулировать веществом на атомном уровне. Первое было безусловным успехом. Всего за тридцать с небольшим лет квантовая механика стала самой успешно подтвержденной теорией в истории науки: то, что она предсказывает, – это то, что мы находим, проникая на самый глубокий доступный нам уровень реальности.
Второе происходит не так гладко. Основная проблема, в терминах квантовой механики, заключается в том, что все вещества обладают не только частицами, но и волновыми свойствами. В больших масштабах волновые свойства можно игнорировать, но чем меньше становится масштаб, тем труднее это сделать. Представьте себе море, покрытое мелкой рябью. Если вы плывете на круизном лайнере, вы можете игнорировать эту рябь, – но если вы плывете на лодке, она может перевернуть вас.
Той рябью, которая угрожает перевернуть лодку производителей микросхем, является вероятностный характер микрочастиц, таких как электроны, потоки которых они направляют через транзисторы. В классической физике нечто либо существует, либо не существует. Но в субатомном царстве электронов, кварков и глюонов дела обстоят совсем по-другому. Электрон не занимает определенное место. Скорее он занимает все возможные места одновременно – до тех пор, пока мы на него не посмотрим, тогда он действительно находится в одном определенном месте. То, где мы находим его в этот момент, установлено не ньютоновскими законами причины и следствия, а законами распределения вероятностей. По большей части он оказывается там, где его ожидал бы увидеть Ньютон, но иногда нет.
Эта странная неопределенность полностью противоречит нашему опыту и интуиции. «Бог не играет в кости», – решительно заявил Альберт Эйнштейн, скептически относившийся к квантовой механике (на что Нильс Бор, верующий, ответил: «Эйнштейн, хватит указывать Богу, что ему делать»). Тем не менее на субатомном уровне все устроено именно так. Обычно мы не замечаем ничего странного, потому что в любой момент лишь крошечная доля субатомного материала, который составляет, скажем, эту книгу, делает что-то на самом деле маловероятное (например, проходит через вашу руку). Но иногда мы можем наблюдать эту странность на макроуровне. Самый наглядный пример – Солнце. Согласно привычным законам физики, оно не должно гореть. Температура солнечного ядра, около 15 миллионов градусов Цельсия, недостаточно высока, чтобы начать реакцию синтеза; солнечным атомам водорода не хватает энергии, чтобы преодолеть силу отталкивания, которая их разделяет. Но квантовая механика говорит: то, что атомы водорода могут воспламениться при такой температуре, всего лишь крайне маловероятно. Да, в массе своей они не могут пробиться через отталкивающие барьеры, которые их разделяют, но некоторым редким атомам все равно удается проникнуть на другую сторону. Солнце содержит так много атомов водорода, что даже крайне маловероятное случается довольно часто – достаточно часто, чтобы поддерживать термоядерную реакцию, которая освещает наше небо. Таким образом, хотя Солнце не должно гореть, оно все же горит.
