Беседы об информатике

Вернемся к рисунку 7 и предположим, что надо изгнать эти 10⁴ электронов для того, чтобы образовать канал. Реальные значения токов, которые протекают в подобных структурах, имеют порядок микроампер, то есть 10^–6 ампера. Заряд 10^–15 кулона переносится током в 10^–6 ампера за 10^–9 секунды. Это и есть теоретическая оценка для времени срабатывания одного структурного элемента интегральной схемы. Поскольку функциональный элемент содержит несколько структурных, эта величина должна быть соответственно увеличена. У упоминавшейся японской схемы памяти на поиск и выдачу нужного участка записи затрачивается 87 наносекунд. В части быстродействия искусственные технические системы определили природу примерно в миллион раз.

Сколько энергии потребляют живые клетки и сколько интегральные схемы? Потребление энергии живой клеткой в расчете на один структурный элемент примерно в сто тысяч раз меньше, чем в интегральных схемах. Этого и следовало ожидать, исходя из количества атомов, приходящихся на один структурный элемент в живых и искусственных системах. Но, пожалуй, важнее другое. В интегральных схемах где находится источник энергии? Он расположен вне схемы. К каждому из функциональных элементов энергия подводится по проводникам. Проводники занимают много места, что, естественно, снижает степень интеграции. Но опять же главное не в том. Сложная разветвленная сеть питания (ведь энергию надо подвести к каждому функциональному элементу) резко снижает надежность системы. Уже сегодня при современной степени интеграции система питания оказывается причиной подавляющего большинства неисправностей и отказов.

Иначе решена эта проблема у природы. Источники питания (а ими в данном случае являются молекулы АТФ) распределены в цитоплазме клетки. Функциональные элементы как бы плавают в энергетической ванне и черпают энергию непосредственно из окружающей среды без каких-либо подводящих путей. Возможно, именно здесь нашим конструкторам имеет смысл позаимствовать у природы решение проблемы энергоснабжения.

Учимся говорить

Живые клетки размножаются делением. Все начинается с того, что спираль, состоящая из двух молекул ДНК, расплетается. Под влиянием фермента полимеразы к каждой молекуле пристраивается вторая, причем соблюдаются правила комплементарности. Вокруг каждой из образовавшихся таким образом спиралей достраивается ядро, клетка делится пополам, и каждая половина, имея собственное ядро, превращается в полноценную клетку.

Можно ли наблюдать нечто похожее у интегральных схем? Конечно. Более того, в интегральных схемах все происходит гораздо эффективнее. Процесс создания интегральной схемы состоит в том, что исходная пластинка кремния прикрывается фольгой-маской, нагревается в атмосфере, состоящей из паров некоторого вещества. Затем маска заменяется. Снова нагрев, теперь уже в парах другого вещества, и так далее вплоть до завершения.

Описанный технологический процесс не единственный. Существует, например метод ионной имплантации. В чем он состоит? Атомы примеси внедряются в кристалл в результате того, что в нужное место пластины направляется пучок соответствующих ионов.

Все это так, но и первый метод достаточно распространен и удобен, и у нас имеются все основания использовать его в качестве примера.

Интегральной схеме нет нужды делиться. С помощью одного и того же комплекта масок изготовляют большое количество интегральных схем. Ну а если маски изнашиваются? Всегда можно изготовить новый комплект на основании чертежа, выполненного на бумаге.

Раз уж мы заговорили о технологическом процессе изготовления интегральных схем, важно отметить следующее. Сам процесс в настоящее время полностью автоматизирован. Сырье для каждой интегральной схемы затрачивается в ничтожных количествах, измеряемых миллиграммами. Поэтому изготовление интегральной схемы практически ничего не стоит (порядка нескольких рублей, из которых большая часть затрачивается на изготовление корпуса и выводов).

Иное дело маски! Полный цикл изготовления маски, а начинается он, собственно, с разработки схемы, то есть с создания принципиально нового физического прибора, и заканчивается крохотным, площадью в несколько десятков квадратных миллиметров, кусочком металлической фольги с десятком миллионов отверстии, разумеется, обходится очень дорого. Это могут быть десятки миллионов рублей. Получается парадоксальная ситуация. Цена интегральной схемы оказывается обратно пропорциональной общему количеству выпущенных аналогичных схем. Стоимость маски равномерно распределяется по всем выпущенным изделиям.

То же самое имеет место в полиграфии. Клише газетного рисунка может обойтись в несколько тысяч рублей, но поскольку с этого клише делаются миллионы отпечатков, газета продается за несколько копеек.