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!
12.7. Словно бабушкин пирог
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.
Компьютер, действующий на вероятностных принципах? Возможно, он будет создан. Хотя ситуация с точки зрения здравого смысла парадоксальная. Каково было бы водителю, если бы перед мостом он увидел плакат: «Внимание! Мост работает с вероятностью 0,5…» Тут точно можешь быть уверенным лишь в том, что при массовом движении машин в среднем каждый второй грузовик по мосту проедет. Так, что шансы есть, но…
Еще одна оригинальная мысль: заменить в схемах электроны фотонами, квантами света. Заменить электронные сигналы световыми лучами. Вместо электронных ВМ (ЭВМ) построить фотонные ВМ (назовем их ФВМ).
Смысл такой замены? Самый быстродействующий современный транзистор не может изменить своего состояния (включен или выключен, да или нет, 1 или 0 – на языке двоичной системы счисления) менее чем за одну наносекунду (миллиардную долю секунды). А время переключения оптического устройства, аналогичного транзистору (ему уже дали имя, назвали «трансфазором»), составляет всего одну пикосекунду (тысячную часть миллиардной доли секунды). А это значит, что логические схемы из оптических элементов смогут выполнять до триллиона (1000 миллиардов или 1012) операций в секунду, в то время как максимальная скорость электронных переключателей не превышает миллиарда. Можно представить, насколько сообразительнее будет ФВМ в сравнении с ЭВМ-тугодумами!
Сейчас техника только начинает робко произносить новые незнакомые фотонные слова. Сделаны лишь первые попытки заменить микроэлектронику наноэлектроникой. И все же специалисты надеются, что первые образцы ФВМ появятся уже в ближайшие десятилетия.
Другое революционное решение компьютерных проблем – растущие кристаллы.
Жизнь кристалла – а он составляет основу ИС – удивительна. Кристаллы часто сравнивают с живыми существами. И немудрено: ведь они возникают из зародышей, питаются, растут, изменяют свою форму, болеют, отдыхают (металлы), поедают друг друга и так далее. Научиться управлять событиями жизни кристалла – значит научиться выращивать готовые ИС, и уже не плоские, а объемные! В них добиться соединения элементов будет значительно проще.
Однородный кристалл похож на дом с абсолютно одинаковыми квартирами. При сдвиге на одну или несколько его атомных ячеек ничего нового не происходит. Создателям же ЭВМ нужен кристалл-дом с индивидуальной подгонкой каждой квартиры. Они хотели бы иметь «компьютер в кристалле», дом, где каждая квартира-ячейка предназначалась бы для выполнения строго определенной операции.
Ученые разрабатывают специальную технологию, при которой молекулярные слои вещества наносятся на кристаллические подложки с помощью особых устройств – пушек, стреляющих молекулярными пучками. Управление ими в пространстве («рисование», так сказать) и во времени («стрельба очередями») берет на себя, конечно, компьютер. Уже получены кристаллы, которых в природе не встретишь. Чудо-кристаллы! Они слоисты, словно бабушкин пирог. И «архитектуру» их можно менять по желанию. Под определенную логику, под определенные вычисления…
12.8. Вычислительная машина в каждой живой клетке?
У писателя Андрея Платонова (1899–1951) есть чудесная повесть «Эфирный тракт» (окончена в 1930 году). Ее герой, ученый Фаддей Кириллович, считал электроны живыми созданиями, чем-то вроде микробов. Питаются электроны, полагал Фаддей Кириллович, эфиром. И если открыть дорогу эфиру – создать эфирный тракт, – то электроны начнут бешено размножаться. И техники тогда смогут разводить железо, золото, уголь, как скотоводы разводят свиней. Электроны и животные, рассуждал герой повести, одно и то же, поэтому их изучение надо изъять из физики и передать в руки биологов…
Эти фантазии писателя на удивление созвучны устремлениям инженеров и техников, колдующих над интегральными схемами. Ведь они как бы пытаются создать «мыслящие атомы», упорно стремятся вдохнуть жизнь в электронные схемы, промоделировать с их помощью многие функции человеческого мозга.
Микроэлектронщики словно бы хотят стереть грань между живой и неживой материей. Поэтому вовсе не кажутся из ряда вон выходящими представления доктора биологических наук, некогда сотрудника Института проблем передачи информации Академии наук СССР, лауреата Государственной премии СССР Ефима Арсентьевича Либермана (1925–2011) о том, что в каждой живой клетке имеется своя вычислительная машина.
Он назвал ее МВМ – молекулярной вычислительной машиной.
Как-то в беседе с корреспондентом журнала «Наука и жизнь» ученый изложил свои взгляды. Они представляют большой интерес.
«Если бы инженеру пришлось конструировать типичную электронную вычислительную машину, – рассказывал Е.А. Либерман, – из элементов размером в несколько атомов (а именно таковы размеры элементов в клеточной машине), то этот инженер довольно скоро убедился бы, что не может использовать достоинства такой предельной миниатюризации. Потому что соединительные провода, которых в ЭВМ очень много, займут несравненно больше места, чем все ее элементы. Это принципиальная трудность, и ее можно преодолеть только в принципиально новых «беспроволочных» системах вычислительных машин. Именно такую систему нашла природа, создавая молекулярную машину».
Ученый говорил дальше о том, что детали МВМ – различные молекулярные белки – не закреплены на одном месте, как в интегральных схемах. Они свободно плавают внутри клетки и взаимодействуют друг с другом в результате случайных столкновений.
Казалось бы, ненадежное устройство! Однако размеры клеток столь малы, что нужные столкновения происходят достаточно часто. И вот что замечательно: для «перебора адресов», для поиска необходимых связей молекул совсем не требуется дополнительной энергии, правильные связи создаются «бесплатно», за счет энергии теплового (броуновского) движения молекул.
Много замечательных особенностей МВМ перечислил Либерман. Хранилищем памяти (долговременной), полагал он, в такой машине, скорее всего, служат молекулы РНК и ДНК – те вещества, которые у растений, животных и человека передают наследственные черты. Это, по мнению ученого, очень емкие «блокноты», их много и даже в одной клетке на РНК можно записать уйму информации. Либерман высказал свою гипотезу не так давно. Так что МВМ – идея молодая. Она еще не обросла экспериментами, дискуссиями, диссертациями. Первые специально поставленные исследования только начаты. Главная их цель (так считал автор гипотезы): постараться опровергнуть идею. Это самый короткий и верный путь проверить ее истинность.
