Алексей Шилейко

Автору этих строк посчастливилось участвовать в создании первой советской ЭВМ “Стрела”. Это было более чем внушительное сооружение, занимавшее зал площадью не менее 150 кв. м. Запомнилась цифра: на одно только охлаждение требовалось 50 кВт в час электрической энергии, а сама холодильная установка напоминала небольшой заводской цех. Быстродействие было фантастическим (по тем временам) – аж 1000 операций в секунду. Множество бездельников занималось подсчетами: сколько человеческих жизней понадобится на выполнение вычислений, которые “Стрела” может выполнить за час.

11_01.jpg    Что было дальше – общеизвестно. Но нельзя не вспомнить о том шоке, который вызвало появление машины “Наири”. Все то же самое или даже лучше, но машина включается в обычную электрическую розетку и потребляет в час всего 60 Вт.
   Сегодняшний персональный компьютер у всех на виду, а коли так – не будем пустословить. Давайте подумаем лучше, что нас ждет в дальнейшем.
   Но сначала несколько слов о нелегкой судьбе автора этих строк. А нелегкая она потому, что автор позволил себе уверовать в основные положения современной физики. Например, он свято верил в то, что когда речь идет о таких, например, объектах, как электроны, современная теория может предсказывать лишь вероятности их поведения. А коли вероятности, то для макрообъектов (мы способны иметь дело только с макрообъектами) все начинается с закона больших чисел. Иначе говоря, если электронов, скажем, миллион, то появляется возможность в среднем определить направление их движения.
   И вот появляется сообщение о том, что сотрудниками Белловских лабораторий (Bell Labs – в этой заметке речь пойдет именно об их работах) удалось создать транзистор размером в 60 атомов!
   Но электрон обладает, судя по последним событиям, еще более каверзным характером. В свете всех бытующих концепций автор считал, что современную физику можно описать одной фразой: “можно все, кроме того, что нельзя”.. Действительно, законы современной физики имеют, в основном, “запретительный” характер: нельзя двигаться со скоростью, большей скорости света, не может быть действия, большего постоянной Планка, два электрона не могут принимать состояния, характеризуемые в точности одинаковыми энергиями (принцип Паули), и т. п. А над всем этим, в свою очередь, царят фундаментальные константы: постоянная Планка, скорость света (она же электродинамическая постоянная) и заряд электрона. По поводу фундаментальных констант автор даже предложил в одной из своих книг “концепцию разлинованной Вселенной”. Фундаментальные константы представляют собой как бы линейки, по которым природа пишет свою летопись. Причем именно заряд электрона всегда считался одной из самых незыблемых констант.
   И вот приходит сообщение о присуждении Нобелевской премии за 1998 год Хорсту Штормеру (показан на фото), Дениелу Тцуи и Роберту Лохлину. Сотрудник Белловских лабораторий Хорст Штормер наблюдал в эксперименте объекты (пока что скажем осторожнее – квазиобъекты), обладающие электрическим зарядом, равным 1/3 заряда электрона. Роберт Лохлин (тоже в прошлом сотрудник Белловских лабораторий) теоретически обосновал это явление. Вот и попробуй после этого строить хоть какие бы то ни было предположения.
11_02.gif    Не будем строить их сами, а лучше послушаем, что говорят другие. Сотрудники Белловских лабораторий С. Марк Меллар-Смит, Дуглас Е. Хегган и Вильям В. Трутман считают, что транзисторы к дню своего шестидесятилетия (2007 год) по ряду параметров достигнут физических пределов. Так, размер транзистора должен стать чуть меньше 0,1 мкм (уже достигнут размер 0,08 мкм). Это означает, что на чипе площадью 10 кв. см можно будет разместить 20 000 000 транзисторов. В своей статье они приводят интересные кривые, которые мы повторим здесь. Самое замечательное в этих кривых то, что они остаются линейными до правой границы графика и не испытывают никакой тенденции к искривлению в сторону уменьшения темпов роста соответствующих параметров.
   Другой сотрудник Белловских лабораторий – Арно Пензиас – отваживается делать прогнозы на ближайшие 50 лет. Описывая бурно развивающуюся в настоящее время технологию производства пластиковых транзисторов, он приходит к достаточно логичному выводу, что придет время, когда интегральные схемы будут производиться листами площадью в сотни квадратных метров. Сумма всех усовершенствований, по его мнению, приведет к созданию “финального компьютера”, более мощного, чем современные рабочие станции. Компьютер этот будет иметь размер почтовой марки и, соответственно, цену, не превышающую цены почтовой марки.
   С этим можно было бы поспорить, если бы не сообщение в Интернете, появившееся в марте 1999 года (Ошибка! Закладка не определена.. Попробуем в общих чертах изложить здесь его содержание.
   Мало кто представляет себе, насколько трудоемок процесс изготовления миниатюрных транзисторов. В нем сочетается литографическая техника с обработкой в специальных печах при температуре больше 1000оС. Но такой процесс годится для изготовления только относительно больших приборов. Для получения транзисторов действительно малых размеров (а недавно сотрудникам Белловских лабораторий удалось получить транзистор размером меньше 100 нм) в качестве инструментов используются узкие электронные пучки.
   Так было, так есть, но вот будет ли так? Ученые Белловских лабораторий разработали процесс печати на стекле, пластике, металле и других материалах рисунков с отдельными деталями размером порядка 0,2 мкм. Процесс предусматривает использование при изготовлении оптических и электронных устройств резиновых штампов многократного действия. Сами штампы изготовляются путем нанесения жидкой резины на кремниевый шаблон с предварительно выполненным рельефом. Резина затвердевает и отделяется от шаблона с полным сохранением всех деталей рельефа.
   Сегодня еще трудно представить себе все возможные применения сделанного изобретения. Ведь узор можно теперь отпечатывать на криволинейных поверхностях, например, на поверхности оптического волокна, а также на поверхности материалов, не допускающих использования обычных литографических процессов. Так, для изготовления пластикового транзистора (а это еще одно из потрясающих новшеств, которые мы собираемся взять с собой в XXI век) сотрудник Белловских лабораторий химик Джон Роджерс со своими коллегами сначала смазывают резиновый штамп специальными органическими чернилами. Затем делается отпечаток на золоченой пластиковой пленке. Пленка подвергается травлению. Места, на которые не попали чернила, удаляются, а места, прикрытые чернилами, недоступны травлению и, таким образом, остаются.
   На следующем этапе остатки чернил уничтожаются ультрафиолетовым облучением. Остается пластиковая пленка с нанесенным на ней золотым узором. На этот узор наносится слой органического полупроводника.
   Таким образом, можно сразу изготовить полностью работоспособную электронную схему, содержащую много транзисторов и, если надо, других компонентов. Отдельные фрагменты такой схемы, напомним, могут иметь размеры порядка 0,2 мкм. Это в 500 раз меньше, чем размеры пластиковых транзисторов, изготовляемых традиционным способом; мы имеем дело с величиной того же порядка, что и для транзисторов, входящих в состав современных кремниевых микросхем.
   В группе Роджерса изготовлялись и лазеры с пластиковой основой, которые потенциально могут быть использованы в волоконно-оптических телекоммуникационных устройствах. В любом лазере интенсивность светового луча увеличивается по мере того, как этот луч путешествует туда-сюда между двумя зеркалами. Пространство между зеркалами представляет собой резонатор. Здесь происходит то же самое, что и в милицейском свистке, где звуковая волна (ведь и звук, и свет – это волны) мечется внутри деревянной или металлической трубки.
   В своих экспериментах Роджерс и его сотрудники для нанесения золотых полосок, которые и должны были играть роль зеркал, использовали плоский резиновый штамп с канавками шириной 0,3 мкм. Как было описано выше, на месте канавок оставались золотые полоски, а пространства между ними снова вытравливались, что и приводило к получению требуемого рельефа. В результате получались лазеры с характеристиками, ничуть не худшими, чем у лазеров, изготовляемых с применением классического литографического процесса.
   Еще в одном эксперименте Роджерс наносил микроскопическую катушку (она показана на рисунке) на оптическое волокно. Для этого волокно обкатывалось резиновым штампом. Катушка имела сотни витков на один сантиметр длины волокна. За счет пропускания тока через такую катушку можно динамически настраивать оптические характеристики волокна, что может оказаться жизненно необходимым для будущих систем связи со столь большими скоростями передачи данных, что обычные пассивные элементы в волокне уже не обеспечат нужных параметров.
   Представим себе, наконец, гибкий экран телевизора или компьютерного монитора, который не разобьется, если швырнуть его на землю. А что можно сказать о пластинке величиной с обычную кредитную карточку, заполненной массой нужнейшей информации, включая ту, которая обычно и хранится в кредитной карточке, но выполненной из такого материала, что она никогда не потребует замены?
11_03.gif   В недрах Белловских лабораторий была предложена технология изготовления электронных схем, в соответствии с которой вместо печати соответствующие материалы наносятся распылением из обычного пульверизатора (спрея). Поскольку при этом материалов требуется меньше, чем при печати, готовые изделия обходятся дешевле. Вообще пластиковые транзисторы стоят значительно дешевле кремниевых, так как при их изготовлении не требуются сложные технологические процессы с высокими температурами. И еще. Технология печати позволяет совершенно естественным образом и без каких-либо дополнительных затрат создавать многослойные конструкции. Там, где нужна особая прочность, пластиковые схемы можно наносить на стальные подложки.
   Уместно сказать несколько слов и о самих транзисторах. В прошлом основной задачей, связанной с созданием транзистора, было не только расположить нужные молекулы в нужных местах, но и заставить их удерживаться в этих местах. Сегодня эта задача существенно упростилась, поскольку сами используемые ныне молекулы имеют форму макарон. По мере совершенствования технологических процессов удается использовать и все более маленькие молекулы, что опять-таки сказывается не только на размерах, но и на увеличении сложности готовых изделий.
   В заключение приведем еще одно соображение, которое, на наш взгляд, представляет достаточный интерес. Делается множество попыток предсказать дальнейшее развитие микроэлектронной техники вообще и компьютеров и телекоммуникационных систем в частности. Подавляющее большинство авторов, хотя и не сходятся в деталях, но в качестве основного фактора, долженствующего ограничить возможности этой области техники, приводят всевозможные физические соображения. Правда, в последнее время высказывались и мысли о том, что давно пора расстаться с электронами как основными действующими лицами на сценах микроэлектроники и обратиться к фотонам. Использование фотонов якобы позволит изготовить процессор компьютера размером с атом. Автор не берется даже комментировать подобные высказывания и оставляет все это на совести того, кто их делал.
   Но есть и другие мнения, на наш взгляд заслуживающие интереса. Эти мнения сводятся к тому, что основным тормозом к развитию микроэлектроники станут именно цены. Цены в конечном итоге станут настолько низкими, что производить компьютеры и другое подобное оборудование будет просто невыгодно. И тогда компьютерщики обратятся за помощью к опытным специалистам по исследованию информационного рынка: “Давайте вместе отыщем такую информационную услугу, приложением к которой станет наша ультрадешевая микросхема…”.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ:
Шилейко Алексей Вольдемарович, д.т.н., профессор, научный консультант компании Lucent Technologies / Bell Labs Innovations,
E-mail: shileiko@orc.ru
http://www.orc.ru/~shileiko/shilht3.htm.


Литература
   C. Mark Mellar-Smith, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. Key Steps to Integrated Circuit// Bell Labs Technical Journal, Vol. 2, №4, Autumn 1997.
   Arno A. Penzias. The next Fifty Years: Some Likely Impacts of Solid-State Technology// Bell Labs Technical Journal, Vol. 2, №4, Autumn 1997