Физика будущего

Два года назад я выступал перед сотрудниками Microsoft в штаб-квартире компании в Сиэтле, штат Вашингтон. Три тысячи лучших инженеров компании, собравшиеся в зале, ждали от меня откровений о будущем компьютеров и телекоммуникаций. В этой огромной аудитории я видел лица молодых инженеров-энтузиастов; именно эти люди создают программы, работающие потом в наших настольных и портативных компьютерах. В отношении закона Мура я сказал прямо: отрасли следует готовиться к этому краху. Лет десять назад мои слова, наверное, были бы встречены смехом и шутками. Но на этот раз я видел перед собой лишь серьезные лица и согласные кивки.

Крах закона Мура — вопрос глобального значения; на кон здесь ставятся триллионы долларов. Но как в точности закончится действие этого закона и что именно его заменит, определят законы природы. Получается, что очень скоро ответы на чисто физические вопросы потрясут основы экономической структуры капитализма.

Чтобы разобраться в этой ситуации, важно осознать, что всеми невероятными свершениями компьютерной революции мы обязаны нескольким физическим принципам. Во-первых, компьютеры считают с такой поразительной быстротой потому, что электрические сигналы движутся по проводам со скоростью, близкой к скорости света — абсолютному пределу для любой скорости во Вселенной. За секунду луч света способен семь раз обогнуть Землю или долететь до Луны. Кроме того, электроны несложно двигать, поскольку они не слишком прочно держатся в атоме (мы легко сдвигаем их с места, расчесывая волосы, проходя по ковру или стирая, — именно так накапливается статическое электричество). Сочетание не слишком прочных связей и молниеносной скорости позволяет нам стремительно посылать по проводам электрические сигналы, что, собственно, и породило электрическую революцию прошлого века.

Во-вторых, количество информации, которую можно передать при помощи лазерного луча, практически ничем не ограничено. Световые волны колеблются во много раз быстрее звуковых и могут нести на себе гораздо больше информации, чем звук. (Представьте, к примеру, длинную натянутую веревку, по которой с одного конца пускают волны. Чем быстрее двигается этот конец, тем больше сигналов умещается на веревке. Поэтому количество информации, которую можно передать при помощи волны, тем больше, чем быстрее она колеблется, т.е. чем больше ее частота.)

Свет — это волна, у которой на одну секунду приходится примерно 10¹⁴ циклов (10¹⁴— это единица с четырнадцатью нулями). Для передачи одного бита информации (1 или 0) требуется много циклов. Это значит, что оптическое волокно может нести на одной частоте примерно 10¹¹ бит информации. И это число можно еще увеличить, поместив в одно волокно несколько сигналов на разных частотах, а затем связав оптические волокна в единый кабель. Все это означает, что, увеличивая число каналов в кабеле, а затем и число кабелей, можно передавать информацию в почти неограниченных количествах.

В-третьих — и это самое главное, — основой компьютерной революции является миниатюризация транзисторов. Транзистор — это ключ, или управляющий элемент, контролирующий поток электричества. Если сравнить электрический контур с водопроводом, то транзистор — это кран, управляющий потоком воды. Точно так же как простым поворотом ручки крана можно перекрыть сильный поток воды, небольшой электрический ток на управляющем входе транзистора может управлять гораздо более сильным током основной цепи и таким образом усиливаться.

Сердце этой революции — компьютерный чип, электронная микросхема, где на кремниевой подложке размером с ноготь могут разместиться сотни миллионов транзисторов. Внутри любого современного компьютера есть микросхемы, транзисторы на которых можно разглядеть только в микроскоп. Эти невероятно крошечные транзисторы создаются примерно так же, как рисунки на футболках.

Чтобы напечатать рисунок на тысячах футболок, сначала необходимо создать шаблон с контуром этого рисунка. Затем этот шаблон накладывают на футболку и брызгают сверху краской в виде спрея. Краска попадает на ткань только в тех местах, где на шаблоне имеются прорези. Затем шаблон убирают, и на футболке остается идеальная копия рисунка.

Точно так же при производстве микросхем сначала изготавливается шаблон, содержащий сложные контуры миллионов транзисторов. Шаблон помещается на многослойную светочувствительную кремниевую пластину. Затем на шаблон и пластину направляют ультрафиолетовый луч; излучение проникает сквозь прорези в шаблоне и действует на кремниевую пластину.

После этого подложку опускают в кислоту, вытравливая контуры схем и создавая хитрый рисунок миллионов транзисторов. Поскольку пластина состоит из множества проводящих и полупроводящих слоев, кислота проникает на разную глубину и вытравливает в ней различные формы; таким образом можно создавать невероятно сложные электронные схемы.