Беседа пятая. Магический кристалл

Беседа пятая. Магический кристалл

О пользе терпения

Согласно библейской легенде бог создал человека на шестой день творения. Он вылепил его из глины и вдохнул в него бессмертную душу. В свете того, что вы уже знаете о живых организмах, в этой легенде, кроме самого факта наличия бога, пожалуй, нет ничего фантастического. Все, что нужно, так это под словами "бессмертная душа" понимать молекулы ДНК, а под глиной - не чистую глину, а смесь, содержащую не столь уж большой перечень веществ, необходимых для синтеза аминокислот. Далее процесс развивался по стандартному пути всякого инженерного творчества. Бог скоро понял, что его система несовершенна (как и любой первый вариант новой инженерной конструкции), и, усыпив Адама, извлек у него ребро и изготовил женщину.

О пользе терпения

Такова каноническая версия легенды о сотворении человека. Но существуют другие варианты. Согласно одному из них, отделив тьму от света и твердь от хляби, иначе говоря, создав Солнечную систему, придав Земле неповторимый рельеф и заселив Землю растениями, бог сотворил женщину. Он поселил ее в прекрасном саду, где она грелась на солнышке (для этого понадобилось отделять свет от тьмы), наслаждалась журчанием ручейков (для этого понадобилось отделять твердь от хляби) и вкушала от плодов земных (для этого и нужны были растения). Женщина была счастлива. Три дня. На четвертый день она воздела руки к небу и взмолилась всевышнему:

- О боже, - сказала она, - ты создал меня слабой и беззащитной, мне страшно в этом саду, особенно по ночам, любой может обидеть меня. Создай существо, которое бы меня защищало!

И бог создал тигра. Днем тигр сопровождал женщину в ее прогулках, а по ночам укладывался у входа в пещеру, где она спала. Женщина была счастлива. Три дня. На четвертый день она воздела руки к небу и взмолилась всевышнему:

- О боже, - сказала она, - ты наделил меня пытливым умом, который все время требует пищи для размышлений. А этот скучный тигр постоянно молчит. Создай существо, которое бы меня забавляло!

И бог создал обезьянку. Обезьянка прыгала с ветки на ветку, иногда повисала на хвосте, делала уморительные гримасы. Женщина была счастлива. Три дня. На четвертый день она воздела руки к небу и взмолилась всевышнему:

- О боже, - сказала она, - ты наделил меня прекрасной бархатной смуглой кожей и нежной чувствительной душой. Ну что толку в этой мартышке, которая все время повторяет одни и те же гримасы? Создай существо, которое бы меня ласкало!

И бог создал змею. Змея восхищала женщину прекрасным зеленым узором, протянувшимся вдоль спины, обвивалась кольцами вокруг ее стройного стана. Женщина была счастлива. Три дня. На четвертый день она в кровь расцарапала морду тигру, и он в страхе убежал в кусты. Она надавала оплеух обезьянке и загнала ее на верхушку высокого дерева. Она наступила на хвост змее, и змея, шипя, уползла под камень.

- О господи, - взмолилась она всевышнему, - создай же наконец существо, которое бы все от меня вы-

И бог создал мужчину.

Зачем?

Эта версия легенды о сотворении человека нас особенно устраивает потому, что в ней кроется ответ на вопрос: зачем вообще понадобилось создавать ЭВМ? Этот вопрос, по-видимому, особенно очевиден для тех, кто до сих пор продолжает считать, что ЭВМ не способна к творческому труду. Даже если принять за данное, что в части переработки информации ЭВМ, во всяком случае принципиально, может решать любую задачу, которую может решать человек (не скроем, что авторы этой книги придерживаются именно такой точки зрения), все равно остается вопрос: зачем создавать ЭВМ, а не предоставить человеку самому заниматься тем, что У него получается и подчас совсем неплохо?

Вопрос непростой. Различных аргументов как за создание искусственного разума, так и против его создания великое множество. Но есть соображение, достаточно очевидное. Человек в огромной степени подвержен влиянию внешней среды. Понизится температура его тела на каких-нибудь десять градусов - и ни о каком мышлении не может быть и речи. То же самое справедливо для нагревания, изменения состава воздуха и многого-многого другого. Одним из поводов создания ЭВМ и послужило стремление создать систему, которая вытерпела бы если не все, то, во всяком случае, гораздо большие изменения в окружающей среде, чем это возможно для человеческого организма.

Но из чего делать искусственный разум? Может быть, имеет смысл постараться скопировать живую клетку? Существует много сторонников метода создания инженерных конструкций путем копирования у живой природы. Строго говоря, с этого мы и начали. Конструкция игрушки "Мужик и медведь" и спроектированного нами аппарата для решения задачи о волке, козе и капусте основана на тех же исходных принципах, что и живая клетка.

Да-да, не удивляйтесь! И в том и в другом случае операции по переработке информации выполняются за счет перемещения в пространстве некоторых объектов. Только в наших устройствах перемещаются рычаги да защелки, а в клетке - молекулы.

Любое механическое перемещение - процесс относительно медленный. Подобный путь сразу показался инженерам недостаточно эффективным. Вспомните - женщина требовала быстрых реакций на свои капризы. С самой большой в природе скоростью распространяются электромагнитные поля, в частности, движется электрический ток. Без особых колебаний инженеры пришли к выводу, что, как сейчас говорят, носителями информации в ЭВМ должны быть явления электромагнитной природы. Электромагнитное явление, переносящее информацию, получило название сигнала.

Какому основному требованию должны отвечать электромагнитные сигналы для использования их в качестве переносчиков информации? Читатель уже достаточно подготовлен к тому, чтобы сразу ответить на этот вопрос. Должно быть несколько сигналов, отчетливо различающихся друг от друга. Точно так же, как отличаются друг от друга четыре нуклеотида, двадцать аминокислот, правое и левое положения рычажка. Проблема создания ЭВМ свелась к тому, чтобы научиться управлять электромагнитными явлениями и каждый раз получать какой-то один среди заданного разнообразия сигналов.

У себя дома вы управляете электромагнитными явлениями, а попросту говоря, зажигаете и гасите свет, включаете и выключаете телевизор. Делаете вы это с помощью выключателя, представляющего собой пару механических контактов, которые могут быть замкнуты или разомкнуты. В первых ЭВМ, которые условно отнесем к нулевому поколению, также использовались механические контакты. Они размыкались или замыкались при пропускании тока через обмотку электромагнита. Такая конструкция получила название электромагнитного реле.

Что любопытно? С помощью электромагнитных реле с одной-единственной парой контактов принципиально можно построить устройство, способное решать любые задачи по переработке информации. Электрические сигналы при этом имеют одно из двух значений. Например, контакт замкнут, ток течет - единица. Контакт разомкнут, ток не течет - ноль. Иными словами, с помощью реле создают электрические сигналы, передающие значения двоичных символов.

Реле с нормально замкнутым контактом реализует Булеву операцию НЕ. Действительно, ток течет в обмотке электромагнита (на входе обмотки единица), контакт разомкнут, и в его цепи ток отсутствует (на выходе цепи контакта ноль). В цепи обмотки электромагнита ток не течет (на входе ноль), контакт замкнут, в его цепи течет ток (на выходе единица). Два реле, контакты которых включены параллельно, реализуют операцию ИЛИ, а два реле, контакты которых включены последовательно, реализуют операцию И. Как говорится, что и требовалось доказать.

Операции, выполняемые электромеханическими реле над электрическими сигналами, составляют функционально полную систему. Следовательно, с их помощью можно создать устройство, способное решать любую задачу по переработке информации, в том числе творческую.

В гостях у муз

По всей вероятности, здесь стоит сделать небольшое отступление. Не кажется ли вам, что как-то уж очень легко мы расправляемся с понятиями "творчество", "мышление", "разум", сводя все к каким-то там замыканиям и размыканиям?

Ну что ж, попробуем порассуждать. Представьте себе на ваш выбор самый что ни на есть вдохновенный, самый что ни на есть творческий процесс. Не вдаваясь в то, как он совершается, мы тем не менее утверждаем, что результатом его будет либо некоторый написанный текст, либо устная речь, которую можно оформить в виде написанного текста, либо некая конструкция, которую всегда можно описать чертежами, либо, наконец, последовательность движений (например, в танце), которую можно зафиксировать с помощью кинопленки. Иначе говоря, результатом любого творческого процесса является документ. А любой документ всегда можно свести к последовательности электрических сигналов. Вы требуете доказательств?

Пожалуйста - телевидение. "Выходом" творческого процесса является последовательность двоичных сигналов. Еще точнее, выход творческого процесса описывается как последовательность двоичных сигналов. Все то же самое относится и ко "входу". Создавая нечто оригинальное, творец использует сведения, почерпнутые им из литературы, из наблюдения картин природы или произведений искусств. При желании этот перечень можно продолжить далеко, но если как следует подумать и к тому же не привлекать к рассуждениям всяческие внутренние голоса, то вывод будет однозначным. Все, что действует "на входе" процесса творчества, хотя бы принципиально, может быть тем или иным способом задокументировано, а значит, превращено в последовательность двоичных сигналов.

К чему сводится любой творческий процесс или, вернемся к более удобному для нас названию, любая задача по переработке информации? К преобразованию одной группы документов в другую группу документов. Следовательно, любая задача по переработке информации описывается средствами функционально полной Булевой алгебры. Нравится нам это или нет, мы вынуждены, как говорят, склониться перед фактом. Иное дело, что сама последовательность применения отдельных операций Булевой алгебры может быть невероятно сложна. Вы еще увидите, как порождаются такие последовательности.

Сделав необходимое отступление, мы теперь уже с полной уверенностью приходим к выводу, что электромеханические реле вполне удовлетворили бы требованиям со стороны создателей ЭВМ, если бы не одно "но". Это "но" - наличие механических контактов, и потому недопустимо малая скорость срабатывания. По соображениям быстродействия, а также по соображениям надежности (все вытерпеть!), о которых речь впереди, от электромеханических реле отказались с первой попытки. Но зато теперь мы точно знаем, что нам нужно. Нам нужен аналог электромеханического реле, лишенный основного недостатка реле - малого быстродействия.

В переполненном трамвае

В отличие от природы, которая для своих целей использует клетки, наполненные жидкостью, мы поищем решение поставленной задачи с помощью твердых тел. Коли уж изобретать что-то новое, зачем возиться с сосудами для хранения жидкостей или газов, если бы нам пришлось их использовать?

Твердое тело без каких-либо там механических перемещений должно либо проводить электрический ток (контакты реле замкнуты), либо не проводить электрический ток (контакты реле разомкнуты). Чтобы придумать нечто этакое, нужно хорошо представлять себе, что такое проводимость и что такое вообще электрический ток.

Обычно говорят, что электрический ток - это движение электронов по проводнику. Но согласитесь, подобное определение сродни утверждению о том, что по утрам солнце поднимается над горизонтом, а по вечерам опускается за горизонт. И в том и в другом случае слова "опускается", "поднимается", "движется" годятся только как удачные метафоры и только тогда, когда вы хорошо понимаете, что на самом деле кроется за этими словами.

Мы не устаем повторять: говорить про электрон, что он находится где-то, то есть имеет местоположение, или движется, то есть меняет свое местоположение на какое-нибудь другое, столь же наивно, как утверждать, что днем не нужно никакого солнца, ведь днем и без того светло. Пора наконец свыкнуться, принять как должное, что здесь не годятся никакие натяжки, никакие приближенные высказывания. Такова природа! Как ни трудно, следует принимать ее такой, какая она есть, а не пытаться растолковать через привычные нам представления то, что мы объяснить пока не в состоянии.

Природа электрона такова, что он по самой своей сути не имеет местоположения, точно так же, например, как чистый воздух, взятый в небольших количествах, не имеет цвета. Когда мы говорим: электрон принадлежит атому водорода, это означает лишь то, что суммарная энергия пары электрон - протон меньше, чем была бы суммарная энергия той же пары в случае, когда электрон не принадлежал бы атому. На языке физики слово "принадлежит" означает: обладает энергией, меньшей, чем в случае "не принадлежит". Только это, и ничего другого.

В обыденной жизни на вопрос: где? - мы привыкли отвечать: столько-то метров (сантиметров, километров, парсеков) от такой-то точки. На самом деле на вопрос: где? - надо отвечать: столько-то джоулей (эрг, электрон-вольт, килограммометров) от значения энергии, принятого за нуль, то есть за начало отсчета. Все это весьма необычно, но, не привыкнув рассуждать таким образом, вы просто не поймете ничего из того, что последует в этой беседе.

Твердое тело - давайте еще более сократим круг рассмотрений, - кристаллическое твердое тело, состоит из атомов, расположенных в строгом порядке. Атомы образуют своеобразный, подчас довольно сложный, но правильный узор, называемый кристаллической решеткой. Все электроны всех атомов в кристалле, каким бы большим он ни был, делятся на две основные группы. К первой относятся сильно связанные электроны, такие, энергия которых очень мала (энергия связи велика). Сильно связанные электроны не принимают никакого участия в интересующих нас процессах, поэтому мы без ущерба позабудем об их существовании.

В переполненном трамвае

Ко второй группе относятся слабо связанные, или валентные, электроны. Каждый валентный электрон принадлежит всему кристаллу. Вы не забыли наше напоминание? Применительно к кристаллу вопрос: где? (в бытовом понимании этого слова) - столь же бессмыслен, как вопрос: куда девается солнце, когда оно падает за горизонт? В кристалле, как и в атоме, на вопрос: где? - имеется один-единственный ответ: минус столько-то электрон-вольт энергии. Электрон-вольт - потому, что это самая удобная для описания атомных процессов единица измерения энергии, а минус - потому, что за начало отсчета (нуль) на шкале энергий принято считать энергию свободного электрона.

Что здесь важно? В кристалле любой электрон принимает не любое, а лишь одно из некоторого набора строго определенных значений, или, как говорят, уровней энергии. Напрашивается аналогия с лесенкой-стремянкой. Вы сидите на средней ее ступеньке, пересаживаетесь на ступеньку выше или ступеньку ниже, но не можете усесться между ступеньками. Так же и электрон. Занимает данное место, то есть имеет энергию столько-то электрон-вольт, может "пересесть" на одно или несколько мест выше или ниже, но не может оказаться между уровнями.

Давайте немного отвлечемся от электронов. Поговорим о незыблемости физических законов. Многое из того, что на основании житейского опыта кажется нам незыблемым, на самом деле не является таковым.

В раннем детстве мы уверены, что все тела падают вниз, и расстаемся с этой уверенностью при первом же знакомстве с воздушным шариком. А потом - хуже того - нам приходится свыкнуться с мыслью, что существуют антиподы, висящие, с нашей точки зрения, вниз головой. Мы уверены, и в общем вполне справедливо, что завтра настанет утро. При этом мы знаем, что было время, когда утра не было по той простой причине, что не существовало Солнечной системы. Возможно, что то же самое случится в весьма отдаленном будущем.

Самым незыблемым среди законов "школьной" физики является закон сохранения энергии. Но и он допускает отклонения, правда, на кратчайшие промежутки времени. А вот закон, гласящий, что электрон не может принять значение энергии, не отвечающее одному из разрешенных уровней, отклонений не имеет. Во всяком случае, современной физике такие отклонения неизвестны. Образно говоря, даже прицепив к электрону трактор, вы не заставите его принять значение энергии, не соответствующее некоторому уровню. Все то же самое справедливо и применительно к принципу Паули, который (весьма кстати мы о нем вспомнили!) утверждает, что один и тот же энергетический уровень не может быть занят более чем одним электроном. Электроны в кристалле сидят, как птицы на телеграфных проводах, с тем дополнительным условием, что на каждом проводе не может быть более одной птицы.

Уровни энергии, или, как их иначе называют, разрешенные уровни, группируются в зоны. Нас интересуют две из них: валентная зона и расположенная выше нее свободная зона. Количество уровней в валентной зоне равно количеству валентных электронов в кристалле. При температуре абсолютного нуля все без исключения уровни валентной зоны независимо от вещества кристалла, его формы, размеров и прочего заняты электронами.

А теперь давайте рассмотрим такую картину. Представьте себе, что вы стоите в хвосте переполненного трамвайного вагона и хотите выйти из него, причем соблюдая давно забытую традицию - обязательно через переднюю дверь. Ясно, что если вагон действительно переполнен, то есть даже с учетом деформации тел пассажиров в нем нет ни сантиметра свободного пространства, ваша задача неразрешима. Ведь для того чтобы обменяться местами с впереди стоящим пассажиром, требуется какое-то пространство. Больше того, предположим, вам не нужно самому выходить, достаточно, чтобы вышел кто-то, допустим, человек, стоящий около передней двери.

Как этого достичь? Казалось бы, просто. Вы толкаете своего соседа, тот соответственно толкает впереди стоящего, и так до тех пор, пока толчок не доходит до находящегося у передней двери и выталкивает его наружу. Но в истинно переполненном трамвае невыполнимо даже это. Чтобы толкнуть, надо хоть чуть-чуть, но подвинуться, а для этого требуется пространство.

Теперь скажем все то же самое, но другими словами. Находясь в трамвае, вы обладаете определенной кинетической энергией, двигаясь вместе с вагоном. Вы обладаете также потенциальной энергией, находясь в гравитационном поле Земли. Если трамвай движется на подъем, то потенциальная энергия стоящих впереди меньше, чем потенциальная энергия стоящих позади. Если вагон действительно переполнен, изменить величину своей энергии вы не можете.

То же самое происходит в валентной зоне кристалла. Каждый находящийся там электрон обладает определенной энергией, соответствующей занимаемому им уровню. Но если все без исключения уровни заняты, ни один электрон не может изменить свою энергию. Изменить свою энергию - значит занять соседний уровень (соседнее место). В трамвае этому мешает невозможность двум человеческим телам занять одно и то же пространство, а в валентной зоне кристалла это запрещено принципом Паули.

Что из этого вытекает?

Что же представляет собой электрический ток? Каждый электрон, кроме энергии, обладает определенной величиной количества движения. Или, как часто говорят, определенной величиной импульса. Импульс - величина векторная. Он имеет не только численное значение, но и направление. В данной точке пространства плотность электрического тока отлична от нуля, или, говоря менее строго, через эту точку протекает электрический ток, если в ней отличен от нуля средний по всем электронам, составляющим рассматриваемую систему, вектор количества движения.

Пожалуйста, вдумайтесь в только что прочитанную фразу. Мы снова столкнулись с понятием среднего и далеко не случайно. Что значит получить среднее значение по множеству каких-то величин? Это значит сложить их все, а полученную сумму поделить на количество слагаемых. Количества движения, или импульсы, надо складывать по правилам сложения векторных величин. И очень может быть, что, складывая много отличных от нуля импульсов, вы в результате получите нуль (например, если все они равны по величине и взаимно противоположно направлены). Так оно чаще всего и бывает. А если средний импульс по множеству электронов отличен от нуля, это обязательно свидетельствует о том, что имеется некоторое преимущественное направление. Его и принимают за направление движения тока, а величину среднего импульса - за силу тока.

Электрический ток (если отбросить случай сверхпроводимости) никогда не течет, если отсутствует вызывающая его причина. Это также очень важное обстоятельство. Протекание электрического тока, во всяком случае в твердых телах, всегда сопровождается выделением тепла. Если бы ток протекал без причины, и тепло выделялось бы без причины, то есть бралось ниоткуда.

В валентной зоне кристалла все уровни заполнены электронами. Если в кристалле отсутствует причина для протекания тока (такой причиной обычно бывает электрическое поле), средняя величина импульса равна нулю. Ток не течет. Если в какой-то момент создать такую причину, средняя величина импульса все равно останется равной нулю. Ведь для того чтобы она изменилась, нужно, чтобы изменился импульс хотя бы одного электрона. Но изменение импульса сопровождается изменением энергии, а это невозможно.

Следовательно, валентная зона кристалла, все уровни которой заполнены электронами, электрического тока не проводит.

Кошмарный трамвай

Представьте себе, что среди пассажиров переполненного трамвая затесался спортсмен. Ему надоело находиться в сдавленном состоянии. Он уцепился за поручень и подтянулся вверх. Пофантазируем еще чуточку и представим себе, что наш спортсмен выбрался на крышу трамвая. В трамвае это сделать затруднительно, а вот в крышах современных автобусов имеются вентиляционные люки, так что картина, которую мы нарисовали, не так уж и фантастична.

Как теперь все изменилось! В салоне трамвая появилось свободное место. Это место сразу дало возможность оставшимся пассажирам совершать различные движения. Тот, кто имел дело с игрой в "пятнадцать", знает, какие неисчерпаемые возможности для перемещения пятнадцати фишек таит в себе одна свободная клетка.

Давайте к тому же считать, что по-прежнему существует некая побудительная сила, благодаря которой все пассажиры стремятся переместиться вперед. Ясно, что при наличии одного свободного места перемещения пассажиров завершатся тем, что свободное место окажется у задней двери. Назовем это свободное место дыркой и резюмируем результаты наших наблюдений следующим образом. Если имеется причина (например, призывы водителя по переговорному устройству), побуждающая пассажиров двигаться вперед, то эта причина заставит дырку перемещаться до тех пор, пока она не окажется у задней двери.

Только не надо впадать в очень распространенную ошибку, которая, к сожалению, встречается даже в весьма солидных изданиях, в том числе и в учебниках. В чем состоит эта ошибка? В том, что происшествие с дыркой описывается примерно так. Вот стоит пассажир (электрон), и перед ним - свободное место (дырка). Пассажир делает шаг вперед, и дырка оказывается за ним, перед следующим пассажиром. Следующий пассажир делает шаг вперед, оставляя после себя дырку, и т. д. Другими словами, шеренга пассажиров движется по линейке (вдоль траектории), и тот же самый путь, но в обратном направлении совершает дырка.

Картина, несомненно, привлекательная своей стройностью и определенностью, но так никогда не бывает даже в трамвае. Где вы видели, чтобы разновозрастные, разнохарактерные, по-разному одетые пассажиры вдруг превратились в солдат, шагающих по команде? Ничего подобного. Кто-нибудь, пожалуй, шагнет вперед, другой посторонится, чтобы дать ему пройти, третий отступит назад, туда, где притулилась его спутница, разлученная с ним толпой. Наконец, если вдруг среди пассажиров окажется человек воспитанный, он уступит место даме, и тогда эта дама, ранее участвовавшая в общем движении, вообще выйдет из игры, а вместо нее возникнет новый персонаж с новыми свойствами.

Так же все происходит и в мире электронов. Если в валентной зоне образовался хотя бы один свободный энергетический уровень, все до единого находящиеся там электроны совершают сколь угодно сложные манипуляции. Они в том числе могут исчезать и рождаться вновь. Электроны и вообще элементарные частицы очень любят исполнять такие трюки с исчезновением. Разумеется, подчиняясь при этом определенным законам. Пытаться проследить (хотя бы мысленно) за эволюцией отдельного электрона - задача безнадежная. Поэтому правильное описание изученного нами процесса может звучать только таким образом: при наличии в валентной зоне хотя бы одного свободного места и наличии побудительной причины, заставляющей электроны иметь некоторое преимущественное направление вектора среднего импульса, электроны начинают совершать чрезвычайно сложные манипуляции. Имеется единственная возможность описать эти манипуляции. Она состоит в том, чтобы ввести в рассмотрение некоторый объект - дырку. В описанных условиях дырка имеет импульс, равный по абсолютной величине и направленный противоположно среднему импульсу электрона.

Кошмарный трамвай

У нас есть большая просьба к читателю. Часто дырку пытаются считать некоторым мысленным, как бы несуществующим объектом в отличие от электрона - объекта реального. Наш пример с трамваем должен убедить в обратном. Дырка столь же реальна, как и электрон, ее поведение подчиняется строгим законам. Ведь не будете же вы считать несуществующим пузырек воздуха в воде или отверстие в сложной механической детали.

Когда вблизи задней двери трамвая образуется свободное место, кто-то, стоящий на остановке, может войти в вагон. Если к тому же некто, стоящий у передней двери, при этом выйдет, то мы можем утверждать, что пассажир (обезличенный) проник сквозь вагон. Причем сделал это мгновенно: передний выходил в то самое время, когда садился задний. Еще раз уподобив пассажиров электронам, мы получим все основания утверждать, что сквозь вагон прошел электрический ток. А обеспечила прохождение электрического тока дырка.

Итак, валентная зона кристалла, если в ней имеется хотя бы один не занятый электроном энергетический уровень, способна проводить электрический ток. Прохождение тока обеспечивается дырками. Поскольку при наличии одной и той же побудительной причины (для электронов такой побудительной причиной является электрическое поле) импульс дырки оказывается направленным в сторону, противоположную среднему импульсу электронов, есть все основания считать дырку положительно заряженным объектом.

Оговоримся еще раз - да простит нас читатель за надоедливость! - не надо представлять себе электроны и дырки движущимися внутри кристалла. Мы вообще не можем представить себе электроны. Для этого у нас пока еще не хватает изобразительных средств. Но если уж во что бы то ни стало пытаться нарисовать картину, то гораздо более близкой к истине, хотя тоже неверной, будет такая. Пассажир входит в заднюю дверь трамвая и исчезает. Исчезает потому, что у нас просто нет возможности проследить его судьбу в этом потном и жарко дышащем переплетении тел. Но в тот же самый момент родится пассажир, выходящий через переднюю дверь. Такова, как говорят ученые, наиболее адекватная картина прохождения электрического тока через кристалл.

Не зря мы назвали наш трамвай кошмарным. Что еще можно сказать о трамвае, заглатывающем пассажиров, которые затем исчезают? Внимание! Настоящие кошмары еще только начинаются! Мы совсем забыли о спортсмене, вылезшем на крышу. Благодать! Свежий ветерок, солнышко, а главное, полнейшая свобода: иди куда хочется. А поскольку есть побудительная причина, скажет проницательный читатель, то спортсмен бодрым шагом двинется в направлении к передней части вагона.

Двинется... и, как говорится, испортит нам всю музыку. Мы договорились с самого начала не использовать никаких движущихся частей, даже если эти части - электроны. К счастью, все происходит совсем не так. Сейчас нам предстоит познакомиться еще с одним универсальным законом природы, получившим название соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Соотношение неопределенностей утверждает, что произведение из неопределенности координаты любого физического объекта на неопределенность составляющей импульса этого объекта, направленной в ту же сторону, что и координата, не может быть меньше некоторой величины, называемой постоянной Планка.

Вернемся к электронам в валентной зоне кристалла. Их там бесчисленное множество, и все они связаны друг с другом и с атомными ядрами электростатическими силами притяжения и отталкивания. Стоит произойти чему-то хотя бы с одним электроном, как немедленно все остальные тоже изменят свои состояния. В таких условиях степень неопределенности импульса каждого электрона весьма велика. Лишь поэтому неопределенность координаты каждого электрона относительно мала. У нас по-прежнему нет оснований говорить, что электрон где-то расположен, но мы можем хотя бы надеяться, что, например, он не покидает пределов кристалла. Благодаря подобной неопределенности в импульсе подчас удается локализовать электроны более точно.

Иное дело пассажир на крыше трамвая. Читатель наверняка догадался, что пассажир на крыше подобен электрону в свободной энергетической зоне, куда можно попасть, увеличив свою энергию. Электрон в свободной зоне так же свободен, как и пассажир на крыше. Он ни с чем не связан. Поэтому очень вероятно, что побудительная причина (электрическое поле) данной величины сообщит электрону определенную величину и направление импульса. Но если импульс определен, то неопределенной становится координата электрона.

Наш злополучный пассажир оказывается размазанным вдоль крыши вагона. Мы снова столкнулись с чем-то таким, что не в силах себе представить. Размазан - не значит, что он увеличился в размерах. Просто он одновременно присутствует повсюду на крыше. Что-то из кошмарных картин Иеронима Босха, хотя мы боимся, что изощренной фантазии Босха здесь окажется недостаточно.

Да, не позавидуешь пассажиру! Наверное, это жуткое ощущение - быть повсюду и нигде. Но есть в этом и свои преимущества. Ему не надо бежать вдоль крыши, он и так присутствует и в начале и в конце вагона.

А теперь вывод: второй возможной причиной прохождения электрического тока через кристалл является механизм, обеспечиваемый электронами в свободной зоне.

Отвлечемся немного в сторону, чтобы в очередной раз предостеречь читателя. К сожалению, бытует мнение, что некоторые законы современной физики, в частности соотношение неопределенностей Гейзенберга, проявляются только в микромире, то есть в мире очень малых размеров - мире атомов, электронов и других элементарных частиц. У многих это вызывает определенную реакцию: коли, мол, мы непосредственно с атомами дела не имеем, то и соотношение неопределенностей вкупе с другими аналогичными законами нам знать ни к чему.

Поводом к таким рассуждениям служит относительная малость постоянной Планка. Она оценивается нулем целых и затем числом, содержащим двадцать шесть нулей после десятичной запятой (10^-27). Что это значит? Если неопределенности координаты и импульса оцениваются примерно одинаковыми числами, то неопределенности импульса в одну десятитысячную от одной миллиардной доли граммсантиметра в секунду соответствует неопределенность в координате того же порядка, то есть одна десятитысячная от одной миллиардной доли. Слов нет, заметить такую величину весьма затруднительно. Не менее справедливо и другое утверждение. Если неопределенность в импульсе отсутствует (скажем, у покоящегося тела, его импульс попросту равен нулю), то неопределенность координаты становится равной бесконечности. А бесконечность - она всегда бесконечность и для электрона, и для пассажира, и для земного шара.

Почему в таком случае нам никогда не приходилось наблюдать пассажира, размазанного по крыше трамвая? По той простой причине, что такого объекта - пассажир, скажем больше того, такого физического объекта - человек, не существует. Да, да, не существует, хотите обижайтесь - хотите нет. Существует комплекс, состоящий из огромного количества молекул, каждая молекула при этом ведет себя как-то по-своему и при этом взаимодействует со многими другими молекулами. В таких условиях неопределенность импульса велика и соответственно мала неопределенность координаты. Поэтому мы и привыкли наблюдать себе подобных, как правило, в определенном месте.

Законы физики, в том числе и соотношение неопределенностей, действуют в макромире ничуть не хуже, чем в микромире. Кстати, само слово "микромир" не имеет смысла. Например, у электрона вообще нет никаких размеров, а значит, у нас нет оснований считать его ни большим, ни маленьким. Мы могли бы привести много примеров, когда соотношение неопределенностей обусловливает поведение весьма больших даже с нашей точки зрения объектов. Не будем, однако, делать этого, чтобы не уходить уж слишком далеко в сторону.

Полупроводники

К какому выводу подводят нас столь увлекательные рассуждения? Электропроводность кристаллических твердых тел определяется взаимным расположением валентной и свободной энергетических зон. Чаще всего между верхней границей валентной зоны и нижней границей свободной зоны располагается промежуток, называемый запрещенной зоной. Если запрещенная зона широка (более трех электрон-вольт), ни у одного из электронов валентной зоны не хватает энергии, чтобы переместиться в свободную зону. Точно так же, как чемпион мира по прыжкам в высоту не может прыгнуть без шеста более чем на три метра. У таких веществ свободная зона пуста, валентная зона полностью забита электронами, и вещества эти представляют собой изоляторы. Тока они не проводят.

Противоположный случай - когда валентная и свободная зоны пересекаются. Здесь получаются как бы два трамвайных вагона в одном: один забитый пассажирами, второй пустой. Представить себе такое невозможно, но ясно, что свободных мест достаточно. Подобным свойством обладают металлы, а все металлы, как известно, хорошие проводники электрического тока.

Наконец, имеется обширный промежуточный класс веществ, у которых верхняя граница валентной зоны отделена от нижней границы свободной зоны промежутком запрещенной зоны, но промежуток этот относительно узок (от 0,1 до 3 электрон-вольт). Эти вещества называют полупроводниками. Из огромного перечня интереснейших свойств полупроводников отметим пока одно. Полупроводники проводят электрический ток, причем их электропроводность сильно зависит от температуры. А как же иначе? Чем выше температура, тем больше энергии теплового движения электронов, тем легче электронам запрыгнуть из валентной зоны в свободную.

Подобное свойство чистых полупроводников широко используется в измерительных приборах. На основе этого свойства удалось построить прибор, измеряющий количество тепла, содержащегося в световом луче, посланном с Земли и отраженном от поверхности Луны.

Все это очень здорово, но категорически не устраивает нас с вами. Вспомните, что девиз этой беседы - все вытерпеть! Вытерпеть, но не менять своих свойств в широком диапазоне изменения температур. А коли так, продолжим наши поиски.

Принцесса на горошине

Свойством иметь четко выраженные энергетические зоны: валентную, запрещенную и свободную - обладают абсолютно чистые вещества. Картина существенно меняется, если основное вещество содержит примеси. Каждый атом примеси добавляет к уже существующим свой набор разрешенных энергетических уровней, и эти уровни, вообще говоря, располагаются где угодно, в пределах любой из зон. В частности, атом примеси может добавить один или несколько разрешенных энергетических уровней в пределах запрещенной зоны.

Становится совсем интересно, когда добавочный уровень оказывается расположенным очень близко (скажем, на расстоянии 0,01 электрон-вольта) либо от нижней границы свободной зоны, либо от верхней границы валентной зоны. В терминах нашей трамвайной модели первый случай эквивалентен тому, что в трамвае сделали дополнительную площадку под самой крышей и не нужно быть спортсменом, чтобы подняться с этой площадки на одну ступеньку вверх и оказаться на крыше - со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Второй случай, то есть когда дополнительный уровень оказался вблизи верхней границы (говорят, потолка) валентной зоны, вовсе прост. В переполненном трамвае каким-то чудом оказалось незанятое сиденье. Ясно, что его немедленно займут.

Принцесса на горошине

Примеси, дающие дополнительные уровни вблизи нижней границы (говорят, дна) свободной зоны, называют донорными. При температуре абсолютного нуля донорные уровни заняты электронами - это еще одно условие, накладываемое на вид примеси. Однако уже при самых небольших температурах, скажем 50 градусов Кельвина, все электроны с донорных уровней переходят в свободную зону. Полупроводник с донорной примесью называется электронным полупроводником, поскольку у него в свободной зоне имеются электроны, способные проводить электрический ток.

Так как уже при очень малых температурах все электроны с атомов примеси переходят в свободную зону (это называется истощением примеси), при дальнейшем увеличении температуры количество электронов не увеличивается. Задача, поставленная в конце предыдущего раздела, решена. Электропроводность примесного полупроводника в большом диапазоне изменения температур от температуры практически не зависит.

Раз уж мы заговорили о примесях, давайте поговорим о том, какое вещество вообще считать чистым. Сказочная принцесса ощущала одну-единственную горошину через десяток тюфяков и перин. Бросив четверть чайной ложки (около грамма) поваренной соли в стакан воды, мы с полным основанием скажем, что вода соленая. А если крупинку (примерно миллиграмм) дегтя растворить в бочке меда? Ручаемся, этого не заметит самый придирчивый дегустатор.

Теперь давайте подсчитаем. Миллиграмму дегтя в бочке меда соответствует концентрация примеси в 0,0002 процента. Это очень мало, и обнаружить такую концентрацию примеси нелегко, даже пользуясь методами тонкого химического анализа. О том, чтобы обнаружить ее на вкус, не может быть и речи. Будем рассуждать иначе.

Для производства интегральных схем (читатель уже понял, что к ним-то мы и подбираемся) сейчас почти исключительно используется кремний. В кубическом сантиметре чистого кристаллического кремния содержится примерно 10²² атомов. Ширина запрещенной зоны у кремния составляет 1,07 электрон-вольта. Это довольно много. Поэтому при комнатной температуре (300 градусов Кельвина) только примерно десяти миллиардам электронов (10¹⁰) удается совершить прыжок из валентной зоны в свободную. В чистом кремнии при комнатной температуре концентрация электронов в свободной зоне составляет 10¹⁰ на кубический сантиметр. Концентрация дырок имеет ту же самую величину, ведь, покидая валентную зону, каждый электрон оставляет там дырку.

Представьте себе, что к чистому кремнию добавили немного сурьмы, скажем, 10¹⁴ атомов на кубический сантиметр. Сурьма представляет собой донорную примесь, и каждый ее атом отдает в свободную зону один электрон. Концентрация электронов в свободной зоне становится примерно равной 10¹⁴ на кубический сантиметр, то есть в десять тысяч раз больше, чем у чистого кремния. Добавляя такую концентрацию сурьмы, увеличивают электропроводность кремния в десять тысяч раз.

Забегая вперед, скажем, что этого уже достаточно для достижения нашей главной цели. Сила тока пропорциональна электропроводности. Электрический ток некоторой величины условимся считать сигналом, передающим значение единицы Булевой переменной. Тогда ток, в десять раз меньший, мы с полным основанием можем считать другим (отличным от первого) сигналом, передающим другое значение логической переменной.

Пока нам хотелось бы подчеркнуть другое. Десять в четырнадцатой степени атомов примеси в одном кубическом сантиметре кремния соответствуют концентрации в одну миллионную долю процента. Примерно в сто раз меньше, чем в нашем примере с миллиграммом дегтя. Так вот, такого ничтожного количества примеси достаточно, чтобы коренным образом изменить одно из свойств вещества, грубо говоря, превратить изолятор в проводник.

Все это весьма поучительно и наводит нас на размышления о том, какой должна быть технология производства полупроводниковых приборов, если приходится оперировать с концентрациями примеси порядка миллионных долей процента.

Не забыли ли мы о дырках? Нет, не забыли. Даже если бы в кремнии после добавления к нему сурьмы оставались те же самые 10¹⁰ дырок на кубический сантиметр, мы были бы вправе не заметить этого количества на фоне 10¹⁴ электронов в том же кубическом сантиметре. На самом деле в кремнии с примесью сурьмы дырок оказывается меньше, чем в чистом кремнии. Почему? Потому что теперь условия перехода из валентной зоны в свободную стали сложнее. Недостаточно накопить энергию, необходимую для перескока через запрещенную зону, надо еще отыскать в свободной зоне незанятый энергетический уровень.

Ура! Создана контактная пара без движущихся частей. Берете кусочек чистого кремния и подсоединяете к нему электроды. Тока он не проводит (или почти не проводит) - контакты разомкнуты. Добавляете крошечное количество примеси, ток пошел - контакты замкнулись. Причем совсем необязательно добавлять к кремнию сурьму, то есть донорную примесь. С тем же успехом можно добавить, скажем, алюминий.

Алюминий дает дополнительные уровни вблизи верхней границы (потолка) валентной зоны. При температурах порядка 150 градусов Кельвина электроны из валентной зоны переходят на эти уровни, оставив после себя соответствующее количество дырок.

Концентрация дырок в валентной зоне, а следовательно и электропроводность, зависит от температуры, поскольку все дополнительные примесные уровни оказываются занятыми уже при очень малых температурах. Такой полупроводник называют дырочным. Но нам-то все равно, какую примесь добавлять. С точки зрения электропроводности 10¹⁴ дырок на кубический сантиметр в валентной зоне дадут тот же эффект, что и 10¹⁴ электронов в свободной зоне.

Теперь дело за малым. Не хватает только молекул тРНК, которые перетаскивали бы атомы сурьмы или алюминия в кремний и обратно, имитируя замыкание и размыкание контактов. Но мы же договорились не использовать движущихся систем! Просто рок какой-то тяготеет над нами. Пройти такой длинный путь, погрузиться в святая святых строения вещества и вновь столкнуться с необходимостью что-то там такое куда-то перетаскивать?! Ну что ж, давайте думать дальше.

Пользуйтесь подземным переходом

Когда долго не везет, надо попытаться "переломить" судьбу, иначе говоря, поступить наоборот. Нас не устраивает метод превращения изолятора в проводник за счет добавления примеси. Может, нам удастся сделать обратное, превратить проводник в изолятор? Ну что ж, попробуем. Поступим следующим образом.

Возьмем пластину кремния, содержащего относительно небольшое количество донорной примеси, то есть электронный полупроводник; поместим его в печь, содержащую пары алюминия, и нагреем до температуры чуть более тысячи градусов Цельсия. Под влиянием высокой температуры атомы алюминия приобретут энергию, достаточную для того, чтобы проникнуть на некоторую глубину в толщу кремниевой пластины. В результате получится как бы бутерброд. Нижняя часть пластинки по-прежнему представляет собой электронный полупроводник, а верхняя часть, в которой теперь преобладает примесь алюминия, представляет собой полупроводник дырочный.

Что произойдет сразу после образования дырочного слоя? Электроны в электронном полупроводнике участвуют в тепловом движении, перемещаясь в самых разных направлениях. Добавление новой примеси не должно как-то сказаться на поведении электронов. Среди них обязательно найдутся такие, которые пересекут границу и окажутся в области дырочного полупроводника.

Опять-таки следует оговориться, что применительно к электронам употреблять слово "движение" - незаконный прием. Говорим мы так просто потому, что у нас нет подходящего слова для описания электронов. С тем же успехом мы могли бы сказать, что электроны никуда не движутся, а исчезают в одном месте и появляются в другом. Это снова будет неверно, поскольку электрон не может находиться в данном месте. А раз не может находиться, значит, не может ни исчезнуть, ни появиться. Как же сказать правильно? После образования в пластине двух слоев: электронного и дырочного - с электронами электронного слоя начинает происходить некоторый процесс, для описания которого у нас не хватает слов. Результатом этого процесса является то, что средняя концентрация электронов в дырочной части увеличивается.

Уловили разницу между только что сделанным описанием и предыдущим? Средняя концентрация электронов обнаруживается нашими измерительными приборами. Она проявляется, например, как величина отрицательного электрического заряда. Говоря "концентрация электронов увеличивается", мы подразумеваем под этими словами реальный физический процесс, скажем, отклонение стрелки на шкале измерительного прибора. За словами "электрон движется" мы не видим ничего, так как не может двигаться то, что не имеет определенного местоположения. При желании процесс, сопровождающийся изменением концентрации электронов, можно назвать диффузией. Так он и называется в серьезных книгах, хотя, честно говоря, слово "диффузия" не вносит ничего нового.

Дальше все значительно понятнее. В верхней части пластинки оказываются одновременно большая концентрация дырок, обязанных своим появлением примеси, и большая концентрация электронов, обязанных своим появлением диффузии. Такое соседство долго продолжаться не может. Дырки и электроны начинают, как говорят, рекомбинировать. Если проще, то электрон из свободной зоны проваливается в валентную зону и занимает там один из свободных уровней. В результате одна из дырок исчезает.

Происходит так до тех пор, пока в некотором слое, примыкающем к границе между электронным и дырочным полупроводниками, все дырки не рекомбинируют с электронами. Уровни валентной зоны в этом слое окажутся целиком заполненными. Но это еще не все. Электроны, диффундировавшие из нижней части пластинки в верхнюю, приносят с собой дополнительный отрицательный электрический заряд. После рекомбинаций этот заряд накапливается в приграничном слое и изгоняет оттуда (отталкивает) все непрорекомбинировавшие электроны.

Итак, на границе между электронным и дырочным полупроводниками в пластинке образуется слой, лишенный как дырок, так и электронов. Он называется обедненным слоем. Еще одно свойство обедненного слоя - то, что он несет в себе определенный электрический, в нашем случае отрицательный, заряд. Благодаря этому заряду между электронной и дырочной частями пластины устанавливается некоторая разность электрических потенциалов, говорят, потенциальный барьер.

Подобное образование вблизи границы между электронным и дырочным полупроводниками получило название р-n-перехода. Обычно ширина обедненного слоя в р-n-переходе имеет порядок от нескольких микрометров до нескольких долей микрометра.

Обедненный слой электрического тока не проводит. Он представляет собой изолятор. Но есть у него интересное свойство. Предположим, что некоторый электрон направляется (мы снова допускаем языковую вольность, но что делать, когда нет слов) из нижней половины пластины в верхнюю. Он мог бы и перепрыгнуть через обедненный слой, но этому препятствует потенциальный барьер. Грубо говоря, электрон отталкивается от отрицательного заряда обедненного слоя.

Иначе обстоит дело с электроном, направляющимся сверху вниз, из дырочной области в электронную. Мы забыли сказать, что диффузия электронов в обедненный слой сопровождается не только тем, что обедненный слой заряжается отрицательно. Уходя из электронной части пластины, электроны оставляют там некомпенсированные положительные электрические заряды. Движущийся сверху вниз электрон притягивается к этим зарядам и легко минует обедненный слой. Все сказанное справедливо и для дырок. Дырка, направляющаяся сверху вниз (мы имеем в виду структуру, показанную на рис. 7), отталкивается от положительного заряда электронной части пластины. Дырка, движущаяся снизу вверх, свободно минует обедненный слой.

Электроны и дырки в полупроводниках принято называть носителями - они как бы переносят электрический ток. Электроны в электронном полупроводнике называют основными носителями. Аналогичным образом основными носителями называют дырки в дырочном полупроводнике. Наоборот, дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном полупроводнике называют неосновными носителями. С учетом подобной терминологии все сказанное формулируется в виде следующего утверждения: обедненный слой p-n-перехода непроницаем для основных носителей и проницаем для неосновных носителей.

Кое-что начало проглядываться. Мы получили структуру, которая может быть проницаемой или непроницаемой для электрического тока, и при этом не нужно ничего перетаскивать с места на место. Но как реально использовать обнаруженное свойство?

Транзисторы

На рисунке 6 показана в разрезе полупроводниковая пластина, содержащая донорную примесь и, следовательно, представляющая собой электронный полупроводник. Мы пометили ее буквой п, потому что английское слово "negative", то есть "отрицательный", соответствует заряду электрона. Какие операции были проделаны с этой пластинкой? Пластинку поместили в печь, но предварительно прикрыли ее поверхность металлической фольгой с круглым отверстием. После этого печь заполнили парами алюминия и нагрели до температуры чуть больше тысячи градусов Цельсия. Атомы алюминия внедрились в материал пластинки и образовали в нем область дырочного полупроводника, который обозначили буквой р, имея в виду, что это первая буква английского слова "positive", что значит "положительный". Граница между областью p и остальной частью пластины помечена на нашем рисунке цифрой 1.

Рис. 6. Полупроводниковая пластина в разрезе, содержащая донорную примесь

Затем снова прикрыли поверхность пластины металлической фольгой с отверстием на сей раз меньшего диаметра. Снова поместили пластину в печь, заполненную парами сурьмы. Разогрели печь и получили в пластине еще одну область с преимущественным содержанием донорной примеси, то есть область электронного полупроводника. Граница между этой областью и остальной структурой помечена на рисунке цифрой 2. Кроме того, в местах, отмеченных штриховкой, укрепили металлические электроды.

Каковы свойства полученной структуры? Рассмотрим электрическую цепь между выводами, помеченными буквами Б и К (база и коллектор). Части структуры, к которым подключены эти выводы, разделены обедненным слоем, простирающимся вдоль границы 1. Следовательно, выводы Б и К подобны разомкнутым контактам. Правда, если между точками Б и К приложить внешнюю разность потенциалов, численно равную или большую, чем потенциальный барьер, и направленную противоположно потенциальному барьеру, то есть плюсом к выводу Б, потенциальный барьер по обе стороны обедненного слоя окажется разрушенным. Но для простоты мы не станем рассматривать этот случай. Нам достаточно, что при нулевой разности потенциалов между точками В и К или при разности потенциалов любой величины, но приложенной плюсом к выводу К, контакты разомкнуты и ток в рассматриваемой цепи отсутствует.

Предположим теперь, что между точками Б и Э (эмиттер) приложена разность потенциалов от другого источника, причем плюс этого источника соединен с выводом Э. Потенциальный барьер, примыкающий к границе 2, окажется при этом разрушенным, и в цепи потечет ток. Протекание этого тока сопровождается переходом электронов из области п (ее называют эмиттером) в область р (ее-то называют базой). Таким образом, в базе образуется дополнительная концентрация электронов, которые являются здесь неосновными носителями. Но неосновные носители обладают способностью свободно переходить через р-n-переход. Поэтому при наличии в базе неосновных носителей промежуток между точками Б и К становится проводящим - контакты замкнулись.

Остается добавить, что обедненный слой, примыкающий к границе 1, называется коллекторным переходом, а область п, примыкающая к этой границе, - коллектором. Явление, состоящее в том, что при протекании электрического тока между эмиттером и базой в базе создается концентрация неосновных носителей, получило название инжекции.

Мы просим прощения у читателей за столь подробное изложение. Пожалуй, оно излишне, но нам хотелось продемонстрировать, как все же удалось решить, казалось бы, неразрешимую задачу и создать точный аналог механических контактов реле. Это промежуток между базой и коллектором. При отсутствии тока между эмиттером и базой этот промежуток соответствует разомкнутым контактам, а при наличии тока в цепи эмиттер - база в результате инжекции база заполняется неосновными носителями, и контакты замыкаются. И никаких движущихся частей, ведь про электроны нельзя говорить, что они движутся. Эту очень важную для понимания истинных процессов на электронном уровне мысль мы подчеркивали не раз. Просто протекание тока между точками Э и Б вызывает перераспределение концентрации электронов.

Описанная конструкция получила название биполярного транзистора. Слово "биполярный" здесь не совсем удачно выбрано. Правильнее было бы назвать его инжекционным или транзистором с боковым управлением. Но дело не в названии. Биполярный транзистор решает поставленную перед ним задачу и, следовательно, может быть взят за основу при построении рассуждающих систем.

Вдоль, а не поперек

У биполярного транзистора есть на первый взгляд небольшой недостаток. В чем он состоит? Когда напряжение между точками Б и К приложено плюсом к выводу Б и имеет достаточно большую величину, в цепи течет ток (контакты замкнуты) независимо от наличия или отсутствия инжекции. Недостаток этот не столь уж серьезен, ведь всегда можно позаботиться о правильной полярности напряжения, но, безусловно, было бы лучше, если бы такой потребности вообще не возникало. Подобного недостатка лишена структура, показанная на рисунке 7.

Рис. 7. Недостаток биполярного транзистора

Многое читателю здесь уже знакомо. Такая же полупроводниковая пластинка из полупроводника с электронной проводимостью. Как и на предыдущем рисунке, она показана в разрезе. Эту пластинку покрыли металлической фольгой с двумя отверстиями, расположенными справа и слева, и поместили в печь, заполненную парами алюминия. В результате образовались две области с дырочной проводимостью, помеченные на рисунке буквами р. Далее через ту же фольгу с отверстиями на поверхность пластинки напылили алюминиевые электроды, а к электродам приварили выводы, помеченные буквами И (исток) и С (сток).

Не думайте, что на этом все закончилось. Полупроводниковую пластинку снова прикрыли фольгой, на сей раз с отверстием, расположенным посередине, и поместили в печь, заполненную кислородом. Кремний в кислородной атмосфере окислился, и образовался слой двуокиси кремния, помеченный на рисунке буквой О. Наконец, поверх слоя окиси напылили слой металла и к этому слою приварили вывод, помеченный буквой 3 (затвор).

Что же получилось? Вдоль границ, помеченных на рисунке 7 цифрами 1 и 2, образовались два обедненных слоя и два потенциальных барьера. Если между выводами И и С приложена разность потенциалов, то независимо от ее полярности ток между этими выводами не протекает. Действительно, каково бы ни было направление внешней разности потенциалов, оно обязательно совпадет хотя бы с одним из потенциальных барьеров и повысит его. Промежуток между выводами Я и С мы смело уподобливаем разомкнутым контактам, причем в данном случае они остаются разомкнутыми независимо от величины и направления приложенной извне разности потенциалов.

Предположим, к выводу З приложен отрицательный относительно области п потенциал. Это приводит к тому, что электроны в области п отталкиваются от отрицательно заряженного электрода и вблизи поверхности пластинки возникает тонкий слой, свободный от электронов.

Дальше все происходит очень интересно. Наличие электронов в свободной зоне полупроводника затрудняет переход электронов из валентной зоны в свободную. Почему? Кроме достаточной энергии, для перескока запретной зоны электрон должен найти свободный уровень. Если каким-то образом изгнать электроны из свободной зоны, то последнее препятствие снимается и количество электронов, переходящих из валентной зоны в свободную, резко увеличивается.

Перешедшие электроны опять-таки отталкиваются отрицательно заряженным затвором, а оставшиеся после них в валентной зоне свободные уровни, то есть дырки, продолжают существовать. В результате весь слой, примыкающий к верхней поверхности пластинки, приобретает дырочную проводимость. Между областями, помеченными буквой р, как бы выстроен мостик с проводимостью того же типа, что и эти области. Этот мостик называют каналом. На границах между истоком, стоком и каналом никаких обедненных слоев не возникает, и путь току между истоком и стоком открыт в любом направлении.

Описанная структура получила название полевого транзистора, или, точнее, МОП-транзистора с индуцированным каналом. Аббревиатура МОП составлена из первых букв слов "металл", "окись", "полупроводник", что соответствует структуре затвора, и в этом легко убедиться, бросив еще один взгляд на рисунок 9. Слова "с индуцированным каналом" означают, что нормально канал отсутствует (контакты разомкнуты) и возникает лишь при подаче напряжения на затвор.

Даже из столь краткого рассмотрения видно, что МОП-транзисторы обладают несомненными преимуществами по сравнению с биполярными. Исторически биполярные транзисторы появились первыми, поэтому до сих пор они еще довольно широко используются. Однако сейчас в мире наблюдается четкая тенденция к переходу на МОП-транзисторы.

Конкурируем с клеткой

Когда появились транзисторы (это произошло в конце 40-х годов), а главное, когда стало понятно, что их можно использовать в роли контактов реле для построения рассуждающих систем, свершился первый качественный скачок в той отрасли науки и техники, который сегодня называют информатикой. Благодаря транзисторам начали строить достаточно мощные системы переработки информации, занимающие вполне разумные габариты, скажем, порядка одного кубического метра и потребляющие разумные количества энергии, скажем, в пределах сотен ватт.

По темпам своего развития информатика побила все существовавшие до нее рекорды. Это справедливо даже применительно к такой прогрессивной области, как космическая техника. Слов нет, выход человечества в космос совершенно уникальное событие, в своем роде единственное в истории человечества, и переоценить его невозможно. Но давайте обратимся к цифрам. Первые самолеты, появившиеся в начале XX века, имели скорость порядка нескольких сот километров в час. Ракетоноситель межпланетного корабля развивает вторую космическую скорость, то есть 11 километров в секунду, или около 40 тысяч километров в час. Таким образом, за время от начала века до старта космической эры скорость летательных аппаратов возросла, будем считать, в 400 раз. Цифра впечатляющая! Но переход от реле к транзисторам, который совершился за каких-нибудь 15 лет, привел к увеличению быстродействия ЭВМ в несколько десятков тысяч раз.

И все же не это главное. Воистину революционные изменения в информатике наметились тогда, когда стало ясно, что на одной полупроводниковой пластине совсем необязательно изготовлять один-единственный транзистор. Что нужно для изготовления транзистора? Прикрыть поверхность полупроводниковой пластины металлической фольгой, к примеру, с двумя (для изготовления истока и стока), а потом с одним отверстием. Но если в той же фольге проделать четыре отверстия, получатся два транзистора. Если сделать двадцать отверстий, получится десять транзисторов и т. д.

Не составляет большого труда изготовить соединения между выводами транзисторов. Это делается двумя способами. Либо на поверхность пластины, опять-таки через отверстие нужной конфигурации в металлической фольге, напыляется металл, либо в нужные области пластины вводятся примеси. Напомним, что полупроводник с примесями ток проводит, а без них практически не проводит.

Так появилось то, что сегодня называют интегральной схемой. Какая главная особенность интегральных схем? Интегральная схема, содержащая тысячу транзисторов, отличается от схемы с десятью транзисторами только количеством отверстий в соответствующих листочках фольги, используемых при изготовлении интегральных схем. Эти листочки называют масками. В остальном технологические операции остаются одинаковыми как в случае десяти, так и в случае десяти тысяч транзисторов. Отсюда вывод: сложность изготовления интегральной схемы с тысячью транзисторов, а следовательно, и ее стоимость - та же самая, что и у интегральной схемы с десятью транзисторами.

Что значит изготовить интегральную схему? Это значит поместить атомы примеси в нужные места кристаллической решетки исходного полупроводника (чаще всего кремния). Извлечь такой атом из соответствующего узла кристаллической решетки не так-то просто. Конечно, пластинку кремния можно расплавить, можно разбить ее молотком на мелкие части, но до тех пор, пока она не подвергается столь грубым воздействиям, извлечь однажды внедренные атомы примеси практически невозможно. Интегральная схема поистине способна все вытерпеть. Дешевизна и чрезвычайно высокая надежность - две основные важнейшие характеристики интегральных схем.

Пойдем дальше. Читателю уже ясно, что есть все основания уподобить интегральную схему молекуле нуклеиновой кислоты. И та и другая представляет собой последовательность структурных элементов. В случае нуклеиновой кислоты - это нуклеотиды, а в случае интегральной схемы - транзисторы. И в том и в другом случае интегральные схемы соединяются между собой определенным образом. Некоторое отличие состоит, правда, в том, что транзистор принимает одно из двух состояний (замкнуто - разомкнуто), а нуклеотид - одно из четырех состояний. Но это чисто количественное различие, и оно легко снимается, если одному нуклеотиду ставить в соответствие не один, а, скажем, два транзистора.

Подобную аналогию имеет смысл продолжить и сравнить соответствующие количественные характеристики, прежде всего размеры. Размеры одного структурного элемента молекулы нуклеиновой кислоты измеряются величиной порядка нескольких десятых долей нанометра (10^-10 м). Расчет предельных размеров структурного элемента интегральной схемы потребует от нас некоторых размышлений. Что надо вспомнить прежде всего?

Чтобы получить либо электронный, либо дырочный полупроводник, к чистому кремнию добавляют ту или иную примесь, причем требуемые эффекты получаются, если один атом примеси приходится примерно на сто миллионов атомов чистого полупроводника.

Отсюда ясно, что структурный элемент интегральной схемы при всех условиях не может содержать меньше чем сто миллионов атомов. В противном случае ему просто не достанется того единственного атома примеси, который и определяет его рабочие свойства.

В течение довольно длительного времени считалось, что на этом расчеты и заканчиваются. Достаточно иметь хотя бы один электрон в свободной зоне или одну дырку в валентной зоне, чтобы реализовать те эффекты, которые были описаны выше. Сейчас настал удобный момент продемонстрировать читателю, насколько в самом деле были необходимы все рассуждения о свойствах электронов и вообще элементарных частиц, которые мы с такой щедростью развивали на предыдущих страницах. Все дело в том, что один-единственный электрон вообще ведет себя совсем не так, как мы ожидаем. Чтобы понять это, обратимся снова к соотношению неопределенностей.

Мы хотим, чтобы наш единственный электрон находился где-то в пределах структурного элемента, состоящего из ста миллионов атомов. Сто миллионов атомов в кристаллической решетке при среднем расстоянии между атомами 10^-10 метра (одна десятая нанометра) занимают кубик с длиной ребра порядка 10^-7 метра. Такова максимальная неопределенность координаты электрона, если мы настаиваем, что он находился в пределах структурного элемента. Но подобной неопределенности в координате соответствует неопределенность величины импульса электрона порядка 10^-22 грамм-сантиметра в секунду. Применительно к электрону это огромная величина. Чтобы оценить ее, воспользуемся понятием о скорости, которое вообще-то к электрону неприменимо. Если бы электрон был классической частицей, то импульсу 10^-22 грамм-сантиметра в секунду соответствовала бы скорость такой частицы порядка 105 сантиметров в секунду (масса электрона имеет порядок 10^-27 грамма).

Эти цифры мы привели для убедительности, а также для тех читателей, которые достаточно хорошо знакомы с физикой и захотят проверить наши выкладки. Так или иначе, а суть состоит в том, что по той лишь единственной причине, что электрон оказывается локализованным в пределах структурного элемента, он обладает огромным импульсом, направленным совершенно произвольно. Бессмысленно ожидать от него какого-то упорядоченного поведения.

Таково конкретное проявление давно установленного физикой факта, что электрон представляет собой квантовомеханический объект и его поведение может быть описано только в терминах вероятностей. Что это значит в рассматриваемом нами случае?

Если наш единственный электрон поместить в электрическое поле, появится некоторая отличная от нуля вероятность того, что у импульса электрона возникнет некоторая постоянная составляющая, направленная в ту же сторону, что и поле. Но вероятность еще не достоверность. Вероятность вероятностью, а реальный импульс может быть направлен куда угодно и иметь величину, на несколько порядков большую, чем та, которую Мы ожидаем в результате воздействия поля.

Задача состоит в том, чтобы превратить вероятность в достоверность. Как это делается, мы знаем. Надо взять много электронов. Настолько много, чтобы, как говорят специалисты по теории вероятностей, начал удовлетворяться закон больших чисел. Обстоятельство, имеющее чрезвычайно важное, чтобы не сказать - фундаментальное значение.

Наука XX века характеризуется весьма широким использованием методов теории вероятностей. Это объясняется и успехами статистической физики, достигнутыми к концу XIX века, и особенно развитием квантовой механики в первой половине XX века. Но подобное увлечение теорией вероятностей часто приводит к тому, что ее методы применяют там, где они совершенно неприменимы, то есть в случаях, когда число объектов или число наблюдений относительно невелико. Нужно четко представлять себе, что указать применительно к одиночному объекту некую вероятность некоего события, могущего с ним произойти, равносильно тому, чтобы не сказать ничего.

Только когда объектов становится много, причем все они находятся в одинаковых условиях и независимы друг от друга, понятие вероятности каким-то образом может быть использовано для предсказания их коллективного поведения. Подчеркнем еще раз - коллективного поведения, а не поведения любого одного из числа этих объектов. Объектов обязательно должно быть много. Сила теории вероятностей в том и состоит, что она позволяет точно рассчитать число объектов, необходимое для того, чтобы интересующее нас коллективное их поведение имело место с данной (достаточно высокой) степенью вероятности.

Не станем утомлять читателя дальнейшим углублением в теорию вероятностей. Скажем просто: в нашем случае для реализации требуемых эффектов достаточно примерно десяти тысяч электронов. Но что значит десять тысяч электронов? Это значит десять тысяч примесных атомов. Общее количество атомов, необходимых для построения одного структурного элемента, возрастает до величины 10¹². В кристаллической решетке 10¹² атомов занимают кубик с размером ребра 10^-6 метра, то есть один микрометр. Это и есть теоретически минимальный размер одного структурного элемента интегральной схемы.

В том, что касается размеров, полупроводниковая электроника проигрывает по сравнению с природными конструкциями более чем в тысячу раз - это надо признать. Не станем, однако, расстраиваться. На поверхности полупроводниковой пластины структурный элемент занимает площадь (10^-6)², то есть 10^-12 квадрат-ратного метра. Если считать, что кристаллическая пластинка представляет собой квадрат со стороной в один сантиметр, то площадь ее равна 10^-4 квадратного метра, а значит, на ней может быть расположено 10⁸, то есть до ста миллионов, структурных элементов.

Количество структурных элементов на полупроводниковой пластине, или, как говорят, на одном кристалле, получило название степени интеграции. Итак, теоретический предел для степени интеграции имеет порядок 10⁸.

Конкурируем с клеткой

Конечно, можно увеличить площадь пластины, но существенное увеличение с учетом жесточайших требований к чистоте материала и однородности структуры кристалла встречает почти непреодолимые технологические трудности. Более реальным считается создание многослойных интегральных схем.

Вообще на сегодня теоретический предел степени интеграции еще далеко не достигнут. Согласно одному из последних сообщений в Японии изготовлен экспериментальный образец кристалла памяти емкостью 16 миллионов запоминающих ячеек. Размеры кристалла 8,9 на 16,6 миллиметра. Подобная схема содержит 40 миллионов структурных элементов, расположенных на двадцати слоях, то есть примерно по два миллиона на слой.

Все это выглядит громоздко по сравнению, например, с хромосомой, которая может содержать несколько миллионов структурных элементов и при этом видна только в сильный микроскоп. Но и особых оснований, чтобы расстраиваться, тоже нет. Уже сегодня система, содержащая несколько миллиардов функциональных элементов (функциональных, а не структурных - каждый функциональный элемент содержит до сотни структурных), то есть примерно столько же, сколько по современным оценкам имеется нервных клеток в мозгу человека, занимает объем порядка кубического дециметра. Так или иначе, но прогнозы фантастов относительно появления ЭВМ величиной с дом, город или целую планету оказались несостоятельными.

Важной характеристикой структурных элементов информационных систем является время выполнения одной операции. В живой клетке операция выполняется путем транспортировки соответствующих молекул. О каких-то серьезных скоростях тут и говорить нечего. Время выполнения одной операции в биологических системах измеряется миллисекундами (10^-3 с). В структурных элементах интегральных схем время выполнения операций зависит от времени переноса соответствующих электрических зарядов. Один структурный элемент может содержать 10⁴ электронов, суммарный заряд которых имеет порядок 10^-15 кулона.

Вернемся к рисунку 9 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 отверстий, 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.

Но мы отклонились от нашей темы. Пока констатируем, что в известном смысле техника и здесь обогнала природу. Вместо того чтобы делать самоделящиеся интегральные схемы (технически это не составило бы большого труда), мы умеем на основании комплекта масок (почему бы не назвать его хромосомным набором?) изготовлять в едином процессе любое количество интегральных схем.

Тут возникает очень важное "но". Изобретенный природой процесс деления клетки теснейшим образом связан с совершенствованием организма. Нормально при каждом делении возникают две дочерние клетки, идентичные материнской. Но случается иначе. В результате явления, названного мутацией, какая-нибудь из двух реплицированных молекул ДНК хотя бы в мельчайшем структурном элементе отличается от исходной. В результате возникает новое качество. А дальше - одно из двух. Если это качество, грубо говоря, ухудшает организм, клетка погибает. Наоборот, если новое качество принесло улучшение, оно закрепляется в потомстве. В этом смысл естественного отбора или, если угодно, смысл жизни.

Процесс деления клеток придуман природой не столько ради размножения, сколько именно ради совершенствования методом естественного отбора. Можно ли говорить о чем-нибудь подобном применительно к производству интегральных схем? И снова ответ будет положительным. Давно уже было сочтено неприемлемым затрачивать десятки и сотни миллионов рублей на разработку масок, особенно в тех случаях, когда предполагаемый объем выпуска, некоторой микросхемы относительно невелик. Это трудоемкий и дорогостоящий процесс.

Ясно, что возникло желание его автоматизировать. Как это было сделано?

Маска представляет собой не что иное, как текст, записанный на некотором языке. Буквами этого языка являются отверстия разной величины и конфигурации, а словами - определенные последовательности таких отверстий. Существуют правила, устанавливающие возможность или невозможность изготовления данного отверстия в некотором месте маски. Иначе говоря, возникла грамматика подобного языка. В качестве примера грамматических правил приведем, например, такое: не может быть более двух расположенных рядом отверстий, соответствующих истоку и стоку полевого транзистора; или такое: отверстия, соответствующие истоку и стоку, обязательно должны быть разделены отверстием, соответствующим затвору. Чтобы убедиться в справедливости этих правил, посмотрите на рисунок 9.

В подобных условиях разработка очередного комплекта масок для производства новой интегральной схемы идентична переводу с одного языка на другой. Что является исходным текстом?

Описание того, что требуется от вновь проектируемой интегральной схемы. Это описание может быть выполнено на обычном, скажем, русском языке, может представлять собой принципиальную схему, использующую условные обозначения так, как это принято в радиоэлектронике, или что-нибудь другое. Единственное требование состоит в том, чтобы исходный текст не содержал двусмысленности.

А результат перевода? Очевидно, сама маска или ее чертеж. Процесс перевода выполняет ЭВМ с помощью соответствующей программы. Такие программы давно известны в связи с задачей перевода с языка пользователя на язык ЭВМ и называются компиляторами.

Что значит научить ЭВМ проектировать интегральные схемы? Это значит научить ее переводить с одного языка на другой или снабдить ее соответствующим компилятором. Мы позволим себе высказать некоторые мысли по поводу изучения языков.

На наш взгляд, существуют два основных метода изучения иностранного языка. Первый состоит в том, что заучиваются наизусть отдельные слова и возможные их значения, а также тщательнейшим образом вызубриваются все без исключения правила грамматики. Подчас довольно трудно выявить и перечислить все значения данного слова, и такой поиск превращается в целую научную работу, которая в отдельных случаях превращается в диссертацию.

Наше мнение (безусловно, дилетантское, поскольку мы не имеем никакого отношения к языкознанию) сводится к тому, что подобный метод, взятый в чистом виде, довольно-таки безнадежен. Даже если человек, обученный таким методом, и сможет более или менее успешно разговаривать на иностранном языке, он никогда не отважится на достаточно качественный адекватный перевод мало-мальски сложного текста.

Второй метод, которому мы, не скроем этого, отдаем предпочтение, состоит в том, что после самой примитивной подготовки, сводящейся к запоминанию двух сотен самых употребительных слов и простейших грамматических правил, обучаемый погружается в языковую среду. Он воспринимает язык не отдельными словами, а фразами, оборотами, образами. И, что греха таить, часто мы сталкиваемся с людьми, блестяще владеющими языком, но не знающими грамматики. Наш знакомый писатель даже высказал мысль, что искусство создания художественных произведений во многом сводится к умению управлять грамматикой.

Учимся говорить

Стоп! Меньше всего мы собирались как-то высказываться о методике изучения иностранных языков. Зачем же понадобилось нам отступление? Чтобы показать, что современные ЭВМ пользуются именно вторым из предложенных методов перевода. Конечно, ЭВМ-переводчик хранит в своей памяти подчас даже полный словарь языка оригинала, что, конечно, не мешает. Но не мешает потому, что в отличие от человека этот словарь "не забивает" памяти. У ЭВМ остается ее достаточно для выполнения остальных операций. Главное в том, что в специальном разделе памяти ЭВМ накапливаются отдельные фразы, образы, отрывки. Ими-то в основном и пользуется ЭВМ в процессе перевода. Такой раздел памяти называют библиотекой. Чем больше работает ЭВМ-переводчик, тем полнее ее библиотека, тем она опытнее, тем выше качество переводов.

Все сказанное справедливо и для ЭВМ-проектировщика интегральных схем. Если бы всякий раз проектирование очередной схемы начиналось, как говорится, с нуля, то даже применение ЭВМ не снизило бы затрат на проектирование. Объясняется это, в частности, тем, что правила грамматики языка, на который ЭВМ собирается переводить, чрезвычайно сложны. Так, они требуют, чтобы никакие два проводника, расположенные в одной плоскости, не пересекались, И вот эта одна-единственная задача разработки методов проектирования планарных схем в течение двух последних десятилетий составила содержание, по крайней мере, сотни диссертаций.

Как поступает ЭВМ? Разработав фрагмент маски для относительно простого узла, она тут же отправляет его в библиотеку. Содержимое библиотеки совершенствуется со временем как количественно, так и качественно. Соответственно с этим растет и искусство ЭВМ. Что здесь самое главное?

Фрагменты могут быть удачными или неудачными. Если некий фрагмент в течение долгого промежутка времени лежит в библиотеке без употребления, его оттуда выбрасывают. Фрагмент, пользующийся большим спросом, наоборот, дополняется рядом усовершенствований, облегчающих его сочетание с другими фрагментами.

Вряд ли нужно указывать читателю, что здесь мы сталкиваемся с достаточно близким аналогом естественного отбора. Что интересно?

Сам метод возник в попытках обучения ЭВМ шахматной игре. Очень скоро стало ясно, что, вместо того чтобы разрабатывать и вводить в ЭВМ всевозможные стратегии (это нужно делать, но в разумных пределах), правильнее дать ей возможность играть с сильными шахматистами и, играя, запоминать позиции и ходы, которые в данном случае привели либо к выигрышу, либо к проигрышу.

В скором будущем типичный завод по производству интегральных схем будет представлять собой полностью автоматизированную потолную линию. На входе этой линии будет установлена клавиатура или устройство для чтения принципиальных схем, с помощью которых можно будет диктовать принцип действия и характеристики очередной выпускаемой схемы или партии схем.