Нанонауки. Невидимая революция

ИСПОЛИНЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ

Когда же началась миниатюризация? С какой временной отметки отсчитывать ее историю? Греческие мудрецы, например, мастерили великолепные астрономические часы с механизмами из крошечных зубчатых колес — в то время эти миниатюрные модели Солнечной системы считались чудесами техники и технологии. Позднее прогресс в конструировании часовых механизмов сыграл существенную роль в миниатюризации механических двигателей, которыми оснащались автоматы, а еще позднее — роботы. Но миниатюризация машин проходит не только по ведомству техники. Она неотторжима от научного прогресса вообще.

Однажды в 1764 году профессор физики Университета Глазго Джон Андерсон решил показать студентам, как работает «огненный насос» или «атмосферная машина» — так в Англии именовались механизмы, выкачивавшие воду из угольных шахт. Машины эти были слишком громоздкими и тяжелыми и занимали слишком много места, чтобы поместиться в университетской аудитории. Поэтому построили уменьшенный вариант в метр высотой. Но профессора ждало неприятное разочарование: миниатюрная машина отказывалась работать! Пришлось везти ее в мастерскую, где чинили научные приборы, — ту самую, в которой работал Джеймс Уатт. Тот быстро понял, в чем дело: уменьшение объема рабочей камеры привело к тому, что атмосферного давления стало не хватать для преодоления трения поршня о стенки камеры. И тогда сообразительный Уатт предложил использовать вместо давления воздуха давление водяных паров. Так он изобрел паровую машину, что дало возможность перемещаться в пространстве с помощью двигателя — когда паровой двигатель стал еще меньше, он легко поместился на тележке с колесами. Начиналась новая эра в науке, рождалась термодинамика.

По ходу своих исследований физики часто сталкивались с задачей измерения. И всегда нуждались во все более точных измерительных приборах. Бывало, что помогала миниатюризация. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), к примеру, хотел замерять крайне ничтожные повышения температуры в чане с водой. Он был пивоваром, как и его отец, и потому занимался увлекавшим его вопросом о соотношении работы и тепла только на досуге. Он знал, что работу можно превратить в тепло — довольно потереть один предмет о другой — и, наоборот, тепло превращается в работу (как в паровой машине Уатта). Задавшись целью определить точное количество тепла, получаемое при совершении некоторой заданной работы, Джоуль поставил такой опыт: он опустил мешалку с лопастями в емкость с водой, и лопасти, вращаясь, нагревали жидкость. За полчаса лопасти совершили 20 оборотов, а вода нагрелась только на половину градуса. Чтобы замерить столь ничтожное повышение температуры, Джоулю понадобился куда более точный термометр, чем те, что у него были, и он смастерил миниатюрный термометр, оказавшийся необычайно точным. По принципу действия новый термометр не отличался от других термометров того времени: и там и там использовалось расширение спирта (или ртути), пропорциональное повышению температуры. Значит, если наполнить спиртом трубку с делениями, то уровень жидкости в трубке будет указывать температуру. Чтобы повысить точность, Джоуль изготовил очень тонкую трубочку и заполнил ее спиртом. К несчастью, диаметр трубки не был постоянным по всей длине и, следовательно, уровень жидкости в трубке не поднимался строго пропорционально вслед за повышением температуры — нужной точности измерения добиться не удавалось. Тогда Джоуль отметил неровности трубки, рассмотрев ее по всей длине в оптический микроскоп, и, чтобы все-таки использовать незадавшуюся трубочку, решил скомпенсировать ее неровности градуировкой, подстраивая (слегка меняя) расстояние между соседними делениями.

Деления на трубку он нанес, применив весьма остроумный способ: покрыл стеклянную трубочку пчелиным воском, а затем сделал на воске поперечные риски очень острым ножом. Затем он погрузил трубочку в разведенную кислоту. Кислота пощадила воск и разъела стекло, обнаженное надрезами, — и на стекле появились тоненькие рисочки: погрешность промежутка между делениями не превышала 6 микрон. Так Джоуль превратил тоненькую трубочку в сверхточный термометр. Его метод гравировки с предварительным нанесением маскирующего слоя применяется до сих пор, в частности, в микроэлектронике. Это изобретение, а также невероятное упорство, помогло Джоулю в 1850 году первым в мире определить соответствие между работой и теплом, выделяемой при ее совершении.

ОТ ЭЛЕКТРОНА К ЭЛЕКТРОНИКЕ

Изучать природные явления непросто. И так было всегда. Порой они кажутся слишком беспорядочными и потому легко вводят в заблуждение. Или же слишком отдалены от повседневности. Чтобы обойти подобные затруднения, ученый пытается воспроизвести естественные условия в лаборатории — чтобы все было под рукой. Подчас это достигается посредством «миниатюризации» изучаемого явления: оно воспроизводится в уменьшенном масштабе. Показательный пример — те эпизоды в истории науки, которые вызвали пришествие физики элементарных частиц, которая в свою очередь породила электронику, а затем и микроэлектронику.

В XVIII в. физики, в том числе аббат Ноле во Франции и Бенджамин Франклин в США, изучали молнию, то есть электрические разряды в атмосфере. Вскоре они обнаружили, что неплохо бы заиметь «коробочку» для воспроизведения подобных явлений в лаборатории, где можно было чувствовать себя столь же непринужденно, как в салоне небедного буржуазного дома. Конечно, изучать молнию в природе и на природе вроде бы предпочтительнее — большая точность, и все такое. Но уж очень это небезопасно: к тому времени от удара молнией погибло уже несколько физиков, пытавшихся исследовать грозы. Немецкий промышленник Генрих Гейслер, торговавший научными приборами, выпускаемыми его предприятиями, в 1857 году воспроизвел самые настоящие малюсенькие молнии между двумя электродами в стеклянном сосуде, наполненном газом. В 1874 году английский физик Уильям Крукс откачал газ из стеклянного баллона в надежде, что изучать искусственные молнии станет проще. И тогда же другие физики задались вопросом о сущности молний, рождавшихся в баллоне Крукса. Что это: электромагнитное излучение, как полагали немецкие ученые, или частицы, как думали английские физики? И британец Джозеф Джон Томсон дал убедительный ответ: слегка изменив вакуумный сосуд Крукса, он в 1898 году открыл электрон.

Открытие электрона на пороге XX в. дало начало эре электроники. Последовало неслыханное прежде ускорение миниатюризации, и электроника естественным образом сократилась до микроэлектроники. В который уж раз все начиналось с повседневных затруднений. Поначалу телефонная связь опиралась на ручной труд: телефонистка должна была вставлять штепсели и штекеры в соединительные гнезда и выдергивать эти вилки из розеток всякий раз, когда требовалось соединить двух влюбленных, жаждавших услышать голоса друг друга, или партнеров по бизнесу. Но во всех столицах мира, вроде Нью-Йорка или Парижа, число абонентов росло взрывообразно. Справиться с этой волной могла только автоматизация: телефонисток должны были заменить какие-то электронно-механические устройства. И тогда инженеры сначала придумали электромагнитные реле, становившиеся со временем все более миниатюрными, потом догадались приспособить электронные лампы, те самые диоды, триоды и пентоды, которые трудились в радиоприемниках наших бабушек. Лампы были отдаленными потомками вакуумных баллонов Крукса и действовали как прерыватели — иначе говоря, переключатели — электрического тока. Со временем, однако, жалобы на лампы — они и хрупки, и слишком громоздки, и очень уж нагреваются — становились все громче. Хорошо, давайте поставим вместо лампы что-нибудь твердое и, по возможности маленькое. В начале 1940-х годов решить эту задачу подрядились Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли, работавшие в лабораториях Bell Telephone Companyв США. В декабре 1947 года они изобрели устройство, рабочим элементом которого был крошечный полупроводниковый кристалл, и назвали его транзистором. Транзистор, подобно ламповому (вакуумному) триоду, мог усиливать электрический сигнал или действовать в качестве переключателя, при этом транзистор был куда меньше самой маленькой лампы и, что еще важнее, выделял меньше тепла, а это сокращало затраты на системы охлаждения.

Именно транзисторы стали основой всей электроники. Из них собирали схемы, выполнявшие логические операции и запоминавшие информацию. Поначалу это была работа кропотливая, ручная, наподобие вышивания, часто производимая под микроскопом, с помощью паяльника, и все равно, сколько же случалось ошибок! Первым делом нужно было изготовить достаточно много транзисторов, затем вставить каждый в корпус, и потом уже подключать их к другим электронным деталям, соединяя элементы проводниками. Но в 1958 году появилась новинка, избавлявшая от многих операций, производимых вручную: инженер Texas InstrumentsДжак Килби изобрел интегральную схему (сейчас мы называем это устройство микросхемой, или чипом). Определение «интегральная» означало, что множество электронных компонентов (транзисторы, резисторы, диоды и т. п.) вместе с соединительными проводниками размещались на поверхности одного полупроводникового кристалла — так называемой подложки. Очень скоро другие инженеры догадались, что транзисторы можно располагать вертикально, устанавливая их друг на друге, — у Килби все компоненты были плоскостными и из одного и того же материала (кристаллического полупроводника). На крошечных — разных! — германиевых пластинках Килби сначала создавал транзистор, потом формировал три резистора и конденсатор, а затем соединял получившиеся детали тоненькими золотыми проводками, припаивая их вручную. Прошло несколько месяцев, и Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductorsсумел сформировать все компоненты на поверхности одной-единственной кремниевой пластинки. При этом он обошелся без соединительных проводников, сформировав и все соединения из того же кремния. Вот тогда и родилась первая «настоящая» интегральная схема. А еще через несколько месяцев началось массовое промышленное производство интегральных схем.

ГОРДОН МУР РАЗБИРАЕТСЯ С НЕРАЗБЕРИХОЙ

Чтобы производить интегральные схемы в больших количествах, нужна была технология, обеспечивавшая автоматизацию сборки электронных компонентов на подложке. Поначалу вопрос о миниатюризации даже не поднимался — всем казалось очевидным, что новинка будет внедрена незамедлительно, например в электронике, устанавливаемой на военных реактивных снарядах и ракетах. Электроника следит за устойчивостью полета, и потому такая управляющая система включает в себя гироскоп, замеряющий отклонение от курса, и систему управления подачей топлива в реактивный двигатель. Инженеры-электронщики в союзе с армией физиков извлекли немалые выгоды из космической программы «Аполлон», обеспечивающей постоянный запрос на все более миниатюрную микроэлектронику. В реактивном снаряде или ракете тесно, а каждый лишний грамм груза — это дополнительный расход топлива, поэтому соображения места и массы имеют первостепенное значение. К тому же чем мельче транзистор, тем выше его быстродействие. А если транзисторов в интегральной схеме (в том же объеме) становится больше, то и возможностей у микросхемы прибавляется. Так что плотность расположения транзисторов начиная с 1960-х годов неуклонно возрастала, подчиняясь эмпирической закономерности, замеченной в 1965 году Гордоном Муром.

Защитив диплом в Калифорнийском университете, где он какое-то время сотрудничал с одним из изобретателей транзистора Уильямом Шокли, Гордон Мур вскоре начал работать в фирме Fairchild Semiconductors.В апреле 1965 года главный редактор американского журнала Electronicsпопросил Мура написать статью о перспективах электроники [9] . На момент написания статьи в самых сложных интегральных схемах содержалось десятка три электронных элементов, в том числе несколько транзисторов. Не так уж много, но Гордон Мур верил в эту технологию. Приглядевшись к темпам ее развития, он заметил: после изобретения интегральной схемы число компонентов за год выросло с четырех до восьми, а еще через год — до 16. Получалось, что примерно за год количество компонентов удваивается. Вовсе не думая об открытии или тем более навязывании какого-то закона собственного имени, Мур просто высказал надежду на появление все более миниатюрных электронных схем и тех деталей, из которых они строятся, предсказывая, что при этом схемы будут усложняться и дешеветь.

9

Moore G. Е. Cramming more components onto integrated circuits// Electronics,April, 19, 1965.

О том, что случится в будущем, Мур, конечно, мог только догадываться, но он был уверен: невероятный курс на немыслимую миниатюризацию взят. А назвал это его простенькое опытное — эмпирическое — наблюдение «законом Мура» вовсе не сам Мур, а преподаватель Калифорнийского технологического института Карвер Мид. Мур же в 1975 году подправил «свой» закон: плотность размещения компонентов на подложке интегральной схемы удваивается каждые два года. Между тем Мур познакомился с Робертом Нойсом, одним из изобретателей интегральной схемы, и в июле 1968 года Мур и Нойс зарегистрировали фирму Intel Corporation,которая в 1971 году выпустила первый микропроцессор [10] — микросхему, среди компонентов которой насчитывалось 2250 транзисторов. После этого закон Мура точно предсказывал рост плотности транзисторов в объеме микросхемы — в 2007 году их стало более 250 миллионов! Что и говорить — рост молниеносный.

10

Микропроцессор — набор электронных схем, созданных — «интегрально» — на поверхности полупроводника. В микропроцессор входят память (запоминающее устройство), арифметическое устройство, счетчики, схемы синхронизации и соединительные проводники.