Изобретение, которое изменило мир: к чему идёт развитие транзисторов?

«В мире нет ничего особенного. Никакой магии. Только физика»

(из дневника Чака Палахнюка)

Физика была главной наукой ХХ столетия и остаётся таковой в начале ХХІ-го. Если спросить  обычного человека, что важного было сделано в физике, он, наверно, скажет: атомная бомба. Но есть мнение, что самой существенной для человека является физика твёрдого тела, эволюция транзисторов и полупроводниковых лазеров. ЮНЕСКО объявило самым выдающимся достижением в ХХ веке транзисторы – приборы, работающие в электронных схемах, из которых состоят компьютеры и мобильные телефоны. 

Мобильный телефон на сегодня – это основной прибор, которым постоянно пользуется гигантское количество людей в мире, и они постоянно совершенствуются. Мобильные телефоны стали не только средством связи, но и полностью поменяли нашу жизнь. Коммуникационные сети, общественные СМИ, информационные системы, возможность постоянного общения – это всё сделано с помощью мобильных телефонов. Для того, чтобы телефон хорошо работал, в нём должен быть достаточно мощный микропроцессор и, с другой стороны, он должен быть достаточно эффективным, чтобы не потреблял много энергии и батарея могла дать вам возможность использовать его как минимум целый день. Мощность и эффективность микропроцессоров определяет качество транзисторов.

Первоначально транзистор был задуман как электронный прибор, который усиливает электрический сигнал. При этом отношение сигнала, который выходит из прибора, к тому, который входит в прибор, должно быть 1 к 100 или даже к 200. Как и большинство других изобретений, транзистор не появился «из воздуха», а стал решением некой остро ощутимой проблемы, которая требовала решения: long distancecommunication (общение на большие расстояния) в начале ХХ века. Это сейчас жителю Соединённых Штатов ничего не стоит позвонить в Украину по серьёзному бизнес-вопросу, а раньше, ещё в 30-х годах, обитателю Восточного побережья расспросить бабушку на Западном о её здоровье было совсем не просто! Связь была не очень надёжной: электрический сигнал уже шёл по проводам, но на расстоянии он деградировал, затухал – его нужно время от времени, через каждые хотя бы 100 километров, усиливать, чтобы он пробрался-таки к получателю. 

Как это делать? До изобретения транзисторов это осуществлялось с помощью электронных ламп. Но каждая электронная лампа размером минимум с ноготь, если не с палец. Плюс ей нужна наружная система, электронная цепь, которая поддерживала бы её нормальную работу. Электронная лампа – это достаточно сложный и дорогой прибор. В 40-х его попытались заменить маленьким кристалликом полупроводника, который в то время был размером в 1 мм и мог усиливать сигнал таким же образом, как электронная лампа.

Первые полупроводниковые транзисторы были использованы в усилителях, их делали в таком знаменитом в Америке месте, которое называлось The Bell Laboratories. Они входили в компанию American Telephone and Telegraph Company (AT&T), определившей всё дальнейшее развитие телекоммуникационной отрасли в США. Директором её был Александр Белл – человек, который изобрёл телефон. Но это было не единственное его достижение: он «изобрёл» корпоративные НИИ! Белл в своё время сказал: «Когда компания станет богатой настолько, что у нас будут деньги, которые мы сможем тратить не только на то, чтобы поддерживать компанию – выплачивать зарплату и покупать оборудование, — мы эти деньги будем вкладывать в науку. Создадим корпоративную лабораторию, в которой люди будут заниматься теми исследованиями, которые нужны нам». 

Изобретение транзисторов стало фундаментальным шагом в науке, а не просто методом сделать лучше цепь в электронной лампе. В Bell Labs было сделано то, чего никто никогда до этого не делал. Первый транзистор это был маленький полупроводниковый кристаллик, который усиливал электрический ток. Транзисторы-усилители были очень дешёвыми и надёжными: их можно было вешать буквально на телефонных столбах и они усиливали сигнал, чтобы люди с обоих побережий могли говорить друг с другом. Bipolar junction transistor были созданы, чтобы улучшить работу телефона – а потом выяснилось, что их можно использовать в электронных схемах, которые будут работать в «компьютере». Но для того, чтобы транзистор работал в компьютере, это уже должен был быть не просто усилитель, а электронный переключатель, с так называемой бинарной логикой: может находиться в двух положениях. Автором этого изобретения, полевого транзистора MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) стал  Мохамед Аталла, египтянин по происхождению.  

Следующим технологическим шагом после изменения структуры транзистора стало объединение их в интегральные схемы. Один умный человек, Джек Килби из Далласа, тот самый, который впоследствии получил Нобелевскую премию за интегральные схемы, сказал: «А что, если я возьму не один транзистор, а десять, сто, тысячу? И объединю их в схему, которая будет сделана компактным образом, как бы отштампована, и я смогу использовать её для логических копераций?» Для этого уже понадобился другой транзистор, чтобы можно было его делать всё меньше и меньше, а качество его не менялось.

До Килби в схеме было максимум 16 транзисторов, и её предлагали использовать для слуховых аппаратов. А потом несколько сотен, и они переключали свет в светофорах. Для компьютерного же микропроцессора понадобилось несколько десятков тысяч транзисторов. 

Тот транзистор, который стоит в вашем телефоне, совершенно не похож на классические, которые преподаватели показывают студентам. Раньше он был двухмерной плоской структурой, а сейчас она трёхмерная, и потребляет такой транзистор намного меньше энергии, хотя переключается очень быстро. Принцип тот же, но приборы, упакованные в интегральные схемы, уменьшились в сто раз по сравнению с индивидуальными транзисторами, стали быстрее и эффективнее. 

Что важно, несмотря на то, что прибор становится сложнее, цена каждого индивидуального транзистора каждый год продолжает падать. Современная микросхема стоит около 100 долларов. На ней, допустим, миллиард транзисторов. 10 лет назад в ней был миллион транзисторов, а стоила она примерно столько же. Посчитайте стоимость каждого транзистора – очень удивитесь.

Транзистор, который изобрели тогда, к тому, который мы используем сегодня, имеет очень небольшое отношение, это уже, можно сказать, совершенно другой прибор. Микроэлектронная техника – это, пожалуй, самое передовое производство в мире. Нет такого производства, которое можно было бы сравнить по сложности и автоматизации, как это. Один завод по производству интегральных микросхем стоит 10-20 миллиардов долларов, один прибор на нём может стоить 100 миллионов. Но они делают эти схемы в гигантских количествах, и всё лучше и лучше. Цикл от сырья до готового продукта занимает около месяца. 

Транзисторы и то, что называют интегральными схемами, поменяло нашу жизнь больше, чем что бы то ни было. Компьютеры, искусственный интеллект – это всё появилось благодаря транзисторам и тому, что их стало возможным упаковывать в интегральные схемы. Их сейчас миллиарды, они работают очень быстро, потребляют относительно немного энергии, выполняют различные математические операции. 

Что будет с транзисторами дальше? Каковы пути их развития?

Почётный профессор Технологического института Нью-Джерси, одессит Леонид Цыбесков, который уже 10 лет он заведует департаментом электронной и компьютерной инженерии в Ньюаркском колледже, ответил «Граниту науки» на этот вопрос:

— Они становятся меньше, потребляют всё меньше энергии, и появилась возможность создавать такие системы, в которых все логические операции будут сделаны очень-очень быстро. За счёт того, что транзисторы становятся меньше, появилась возможность упаковывать их очень плотно. Если раньше в интегральной схеме их было миллион, то сегодня их миллиард, а ещё через 5 лет будет 5 миллиардов. Цикл логических команд в компьютере будет разбит на много циклов, которые можно делать параллельно – это называется параллелизм. И это, в принципе, движение в сторону того, как работает человеческий мозг. Он работает в такой системе, которая называется massive parallelism – то есть, требует большого количества сценариев. Вы не задумываетесь, но просто уже знаете, что делать, что не делать. И вот так же, видимо, будут работать со временем транзисторы. 

В мозге есть колоссальное количество нейронов, и они все переплетены друг с другом. Интегральные схемы будут работать так же. Это то, что называется bio-inspiring computing, когда даются такие структуры, где одна задача разбивается на много параллельных задач, и дальше они делаются одновременно, вместо последовательно совершаемой операции. Например, вы знаете, что какое-то действие нужно сделать в три этапа, и есть случаи, когда вам не нужно знать ответ первого, чтобы сделать второй. Это то, что в корне поменяет работу искусственного интеллекта. Он будет работать намного быстрее и эффективнее. Можно решать большое количество задач одновременно. Даже если увидите ошибку где-то, вы эту ошибку быстро исправляете, потому что видите, что, например, решение идет не туда, куда оно должно идти – и тут же останавливаете процесс, возвращаетесь, меняете исходный параметр и продолжаете. 

И вот я смотрю, что процесс может идти куда угодно, и тогда уже могу ставить эксперимент: «А что будет, если?» Знаете, Gmail на английском уже начал сам поправлять грамматику, и даже подсказывает паттерны и варианты, как закончить предложение. Эти компьютерные системы работают так, потому что есть гигантское количество транзисторов, которые создают всё более мощные процессоры, и они начинают проигрывать результаты наперёд. Более того, они запоминают ваш стиль! Например, вы любите начинать предложения определённым образом. Тогда следующее предложение он уже вам подскажет, чтобы соответствовало вашему стилю. Не то чтобы компьютер начал «думать», он просто анализирует паттерны – последовательность ваших шагов. Computing power – вычислительная способность – в десять раз больше, чем была в 90-е годы.

Semi-Conductor Research Corporation – это объединение основных компаний, работающий в области полупроводников. Мои исследования финансировал производитель процессов Intel, Hewlett Packard. Они, в основном, были связаны со свойствами квантовых точек. Я занимаюсь не системами микроэлектронных систем, а их компонентами. Это совершенно отдельная история, и в ней каждый день происходит что-то интересное. Я считаю, что это можно объяснить любому человеку, потому что все люди этим пользуются. Для того, чтобы они поняли, как эти системы работают, и осознали, как много было сделано людьми, которые занимались, занимаются и будут заниматься этими электронными системами.

В завершение своего комментария хочу привести слова Ричарда Фейнмана из его книги «Без ума от физики»: «Физика – это как секс: конечно, она может принести некие практические результаты, но это не то, почему мы ею занимаемся».

Читайте статью Леонида Владимировича Цыбескова о физфаке Одесского университета, который он называет особой «флуктуацией» во времени и пространстве 70-х, через неделю на «Граните науки».

ЧИТАЙТЕ НАС В ТЕЛЕГРАМ


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше