ЗНАНИЕ Серия "Знак вопроса". 1989 №2

Человек или машина?

автор - Анатолий Георгиевич Абинов

II. На пути к киборгам

Каким вы представляете себе компьютер, равный но своим возможностям человеческому мозгу? Да-да, 10 000 миллиардам его нейронов… В 50-е годы нашего столетия такая ЭВМ заняла бы столько места, как Нью-Йорк или Токио. А энергии потребляла бы больше, чем вся сеть метрополитена в этих городах.

Ныне же ученые говорят о возможности размещения такого компьютера в объеме черепной коробки, а для его питания будет вполне достаточно батарейки от карманного фонаря.

Но прежде чем такие суждения стали возможными, должны были произойти вот какие события.

Мини… микро… меньше некуда!

Транзистор заменил радиолампу, и ЭВМ, занимавшая машинный зал, стала умещаться в тумбах письменного стола. На смену транзистору пришли интегральные схемы, и сегодня мы носим ЭВМ в кармане…

Интегральная схема – это десятки, а то и сотни тысяч активных элементов – триодов, диодов, конденсаторов, размещенных методами современной технологии в полупроводниковом кристалле размером менее ногтя мизинца – так называемый чип. Микропроцессор такой же величины может иметь миллионы активных элементов. Причем размещение их в целях экономии места ведется в несколько этажей.

Однако ничего в нашем мире не дается даром. За запах цветов заплачено химической энергией растения, за шум прибоя – энергией ветра и волн, за красоту окружающего мира – энергией солнечного света… Платим мы и за миниатюрность счетно-решающих приборов. Их компактность не может быть снижена беспредельно при дальнейшем использовании нынешней технологии. И вот почему..

Компактность хороша не только сама по себе, но еще и потому, что она повышает быстродействие электронных приборов. В большом устройстве нужно больше времени, чтобы электроны пробежали свой путь по проводникам, накопили заряд в конденсаторах… Но уменьшая размеры электронных устройств, мы должны сохранять на определенном уровне их мощность. Иначе выходные сигналы окажутся настолько слабы, что не будут восприняты органами наших чувств, прежде всего зрением. А сохранение мощности, в свою очередь, приводит к повышению плотности энергии, выделяемой в единице объема.

– Говоря проще, – рассказывал доктор технических наук В. Дорфман, – мы здесь сталкиваемся примерно вот с какой ситуацией. Вы вышли погулять в ветреную погоду: Пока ветер не очень силен, вы легко преодолеваете его сопротивление. Но ветер все усиливается, превращается в ураган, и в конце концов прогулка становится невозможной – того и гляди вас унесет…

Такая аналогия дает наглядное представление о процессах электромиграции. Суть этого процесса заключается в том, что при определенной плотности энергии, выделяемой в единице объема, сила тока в проводнике может достигать миллионов ампер в пересчете на квадратный сантиметр! Обладая такой силищей, электроны начинают «сдувать» атомы с их законных мест в кристаллической решетке. И дело-кончается тем, что в каком-то месте проводник разрушается, перестает проводить электрический ток. Что делать?

Выход из положения нашел американский физик Дж. Баркер. «Раз проводники становятся помехой на пути микроминиатюризации аппаратуры, – предложил он, – давайте обойдемся без них…»

И Баркер предложил использовать вместо проводимости… туннельный эффект! Суть дела тут вот в чем. Специалисты в области. физики твердого тела обнаружили странное с нашей обыденной точки зрения явление: время от времени электроны появляются в тех местах полупроводникового кристалла, где их быть не должно. Их кинематическая энергия недостаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьер запрещенных уровней, и все-таки электроны появляются. Каким образом?

Попробуем обратиться к помощи такой механической аналогии. – Представьте себе шарик, который катится по ровному столу. На пути шарика – препятствие, барьер. Перескочить его шарик не может, для этого он должен обладать по крайней мере вдвое большим запасом энергии. Значит, шарик не может оказаться по другую сторону барьера? Может! Но только при одном условии: если на его пути мы проделаем в барьере отверстие, туннель.

В действительности, конечно, никто никаких туннелей не делает. Шарик-электрон оказывается по ту сторону препятствия – потенциального барьера – только потому, что он обладает двойственными свойствами^, с одной стороны, он – частица, с другой – волна. И то, что не может сделать электрон-частица, вполне доступно электрону-волне. Ом, словно вода. сквозь земные недра, «просачивается» сквозь потенциальный барьер.

Вот этот-то туннельный эффект и предложил использовать Дж. Баркер. «Поскольку, благодаря туннельному эффекту, электроны могут просачиваться сквозь полупроводниковое вещество, – рассуждал он, – то зачем нам проводники? Нужно вычислить вероятность перехода электронов из одного места в другое и считать, что в данном месте с такой-то вероятностью у нас есть проводник…»

Революционность такого вывода трудно переоценить. Баркер, по существу, перевернул все традиционные представления классической электроники. В самом деле, представьте, каково было бы водителям, если бы перед мостом на обочине шоссе вдруг появился плакат: «Внимание! Мост функционирует с вероятностью 0,5…» То есть, говоря иными словами, то ли он есть, то ли его нет в данный момент, никто не знает. Но вообще-то, если поток автомобилей будет непрерывным, есть шанс, что каждый второй доберется до другого берега.

Конечно, в обыденной жизни такая ситуация никого не устроит. Но физики довольно часто руководствуются странными законами необычного мира микрочастиц и тем не менее достигают хороших результатов. Так получилось и в этот раз. Дж. Байкеру удалось убедить скептиков. Причем сделал он это довольно простым способом: он построил модель электронного блока, руководствуясь своими принципами. И модель эта оказалась вполне работоспособной!

И на этом история новой технологии, по существу, только начинается. Дело в том, что к этой же проблеме предельной микроминиатюризации с другой стороны подошли биологи. Еще в 1974 году они установили, что многие органические материалы способны проводить электрический ток. Более того, когда проходит электрический сигнал определенной полярности, органическое вещество способно переходить в другое состояние. То есть, говоря проще, внутри каждого живого организма работают словно бы миллиарды триггеров – электронных приборов, каждому из которых свойственны два устойчивых состояния – «0» или «1».

Причем электроника живой клетки имеет молекулярный уровень. То есть своеобразным триггером может быть всего лишь одна молекула… Но ведь и Дж. Баркер предлагает создавать электронные приборы на атомно-молекулярном уровне! Нельзя ли объединить одно с другим?.. Несколько групп исследователей ведут в настоящее время работы на неисследованной территории.

Так, например, группа специалистов лаборатории физики твердого тела в Орсе (Франция), работающая под руководством Д. Жерома, интересуется сразу двумя видами материалов – проводящими полимерами и мономолекулярными кристаллами. Почему именно ими?

Мы привыкли к четкому разделению органического и неорганического миров. Трудно пока представить себе, что органические молекулы, можно использовать для создания транзисторов. Однако ныне дела обстоят именно так. Более того, некоторые из органических веществ могут обладать даже свойствами сверхпроводимости!

Идея о сверхпроводимости в органических молекулах была высказана около четверти века назад американским ученым Б. Литтлом. Пять лет спустя в лаборатории Института химической физики АН СССР группа И. Щеголева получила класс органических веществ, способных хорошо проводить электрический ток при комнатной температуре. Основу этих проводящих молекулярных кристаллов составляли колонки из плоских органических молекул.

После еще нескольких лет напряженной работы в советских, американских и французских лабораториях были получены соединения, которые оставались проводящими при самых низких температурах, вплоть до 0,1 К. Таким образом была подготовлена почва для создания сверхпроводящих соединений, которые, как полагали в то время, могут существовать лишь при сверхнизких температурах.

И действительно в 1980 году датскому химику К. Бернгарду удалось использовать плоскую органическую молекулу тетраметил-тетраселенфульвалена для синтеза соединений, в которых молекулы переходят в сверхпроводящее состояние при температуре около 1,5 К.

Не меньшие достижения получены и в области органических проводящих полимеров. Несколько лет назад американский физик А. Хигер продемонстрировал вентилятор, работавший от аккумулятора, пластины и рабочее вещество которого состояли только из органических веществ. Какие же преимущества могут оказаться решающими при выборе между органикой и неорганикой? Их много. Органика, как вы уже поняли, открывает дальнейшие пути развития микроминиатюризации электронных устройств вплоть до молекулярного уровня. Органика состоит из весьма распространенных в природе веществ. И наконец, органические молекулы обладают значительным разнообразием, способны к плавной перестройке, что может привести к созданию веществ с точным, заранее известным набором необходимых свойств.

– Эти преимущества уже были «взяты на вооружение» природой в процессе возникновения живых организмов, и нет причин сомневаться в том, что они могут быть использованы и при синтезе систем с нужными нам сверхпроводящими или полупроводниковыми свойствами, – считает доктор физико-математических наук Л. Булаевский.

Отсюда, кстати, вытекает и еще одна особенность органической электроники. В одном из опытов подложку из кремниевого кристалла попытались заменить на протеиновую. Этот белок хорош не только тем, что вырабатывает электрические сигналы. Он является также родственным материалом многих клеток человеческого тела. А это значит, что протеиновые микрочипы можно будет имплантировать в человеческий организм!

Правда, как говорят скептики, у органической микроэлектроники проявляется очевидный недостаток: сложные органические молекулы, как правило, нестабильны, быстро распадаются. А значит, и основанные на них биологические микрокомпьютеры вряд ли будут очень долговечными. Однако мы знаем, как природа обошла эту трудность – она создала самовоспроизводящиеся системы. Именно к этому и стремятся специалисты в настоящее время.

Книги читать онлайн

Содержание раздела: