УПАКОВКА ЧАСТОТЫ
Помните, мы рассказывали в четвертой главе, как М. Планк пришел к великому открытию, изучая, причем именно с энтропийных позиций, распределение энергии по различным длинам волн? Кроме отмеченных уже тенденций к равномерному распределению в пространстве и времени, энергия испытывает также тенденцию равномерно распределяться по частотному диапазону — недаром Солнце излучает белый свет. Так вот, с помощью лазера осуществляется концентрация энергии не только в пространстве и времени, но и в пределах чрезвычайно узкого частотного диапазона.Это последнее обстоятельство используется, в частности, для построения так называемых молекулярных часов. До самого последнего времени самыми точными часами в мире были-звезды. Любые, сколь угодно точные искусственно созданные, часы проверялись по звездам. Теперь, наоборот, пользуясь молекулярными часами, мы получили возможность проверять точность движения небесных тел. И не зря! Оказалось, что небесные «часы» не так уж точны, как представлялось нашим предкам.Молекулярные часы — это газовый мазер. Частота его, равная сотням миллиардов колебаний в секунду, делится во много раз, пока не получаются колебания с частотой одно колебание в секунду. Газовый, потому что в газе молекулы в минимальной степени влияют друг на друга, и это позволяет получить наименьшие отклонения частоты колебаний.Но опять-таки говорим мы все это здесь исключительно ради того, чтобы задать один вопрос: разве сведения о том, который сейчас час, не есть информация в самом широком понимании этого слова?
Среди всевозможных технических систем наибольшее отношение к нашей теме имеют, конечно, различные средства переработки информации и, в частности, ЭВМ. ЭВМ совместно с чрезвычайно широко развитыми методами сбора, хранения и переработки информации составляют то, что с полным основанием можно назвать информационной индустрией. Сочетание слов «искусственный интеллект» перестало быть достоянием фантастов и любителей экзотики в науке и служит просто для обозначения одной, совершенно конкретной отрасли промышленности (заодно, конечно, и науки). Но именно в силу этих особенностей ЭВМ и другие средства переработки информации описаны сейчас в огромном количестве публикаций, в том числе и популярных. Мы не станем здесь повторять общеизвестное. Коснемся одного вопроса, связанного с современной технологией средств переработки информации. Эта технология известна как технология интегральных схем вообще и, в частности, больших интегральных схем (БИС).Что же такое БИС? Всякая переработка информации осуществляется по программе точно так же, как синтезируются белки в живой клетке. Поэтому, чтобы построить устройство для переработки информации, необходимо решить две основные задачи: обеспечить средства для хранения программы, а заодно, и тех данных, которые подвергаются переработке, и построить собственно рабочую часть, которая под управлением со стороны программы будет выполнять отдельные операции над данными.И ту и другую задачу можно решать многими способами. В своем развитии техника переработки информации испробовала самые различные способы, начиная с электромагнитных реле, и в настоящее время почти окончательно остановилась на интегральных схемах, которые, в свою очередь, используют в работе свойства полупроводников.Полупроводниками называют весьма широкий класс материалов, которые по электропроводности занимают промежуточное место между изоляторами (совсем не проводят электрического тока) и проводниками (проводят электрический ток очень хорошо). Главное свойство полупроводников состоит в том, что их электропроводность сильно зависит от самых различных факторов и, в частности, от наличия примесей. Чистый полупроводник при комнатной температуре практически представляет собой изолятор. Однако достаточно добавить к нему определенную примесь в количестве, не превышающем, скажем, одной тысячной доли процента, электропроводность увеличивается в миллион и более раз.Одна тысячная доля процента! Сто лет назад техника просто не позволяла очистить вещество так, чтобы содержание любых примесей в нем имело подобный порядок. Теперь же одна тысячная доля процента — это содержание совершенно определенной примеси. Что же касается примесей вообще, которые всегда присутствуют в любом материале, то их содержание должно быть еще на несколько порядков ниже.Большинство известных полупроводников — кристаллические тела. Атомы в них расположены в строго определенных местах, в узлах так называемой кристаллической решетки. Добавляемые к полупроводнику примеси замещают в отдельных узлах атомы основного вещества, причем, как уже отмечалось, на сто тысяч атомов основного вещества может приходиться один атом примеси. Этого достаточно, чтобы в области, окружающей дополнительный атом, полупроводник резко изменил свои свойства.Представим себе теперь, что в толще кристалла полупроводника созданы отдельные области, содержащие примеси. Размеры каждой такой области могут иметь порядок долей микрометра. Представим себе также, что все эти области, взятые вместе, составляют сколь угодно сложный, но непрерывный узор — каждая область касается одной или нескольких соседних. Тогда электрический ток будет проходить в кристалле сложный путь от области к области. Читатель уже догадался, что сейчас последует аналогия с бильярдом. Все правильно. Электроны, составляющие электрический ток, движутся в кристалле такими же зигзагами, как и бильярдные шары.Такая аналогия, однако, справедлива не во всем. Для бильярда особенно характерно было полное безразличие. В первых главах мы не уставали повторять, что ни одна из областей поверхности стола не обладает какими-либо преимуществами по сравнению с другими.Здесь же, наоборот, электрический ток может проходить сколь угодно сложный, но строго определенный путь.И еще одно обстоятельство. Чтобы области полупроводника, содержащие примеси, проводили электрический ток, недостаточно одного присутствия примесей. Нужно еще, чтобы данная область находилась под определенным электрическим напряжением относительно всего кристалла. Эти напряжения могут устанавливаться извне с помощью специальных выводов или создаваться тем же самым протекающим током.
Теперь нарисованная нами картина достаточно полна. Сделайте усилие, читатель, и представьте себе кристаллик, скажем, германия или кремния (это наиболее часто используемые материалы) размерами, скажем, 5×5x0,1 миллиметра. Кристаллик таких размеров лучше рассматривать в лупу.В толще вещества кристаллика имеется большое количество отдельных областей, содержащих примеси. Размеры областей, как уже отмечалось, могут быть весьма малы, ведь в принципе, чтобы свойства полупроводника изменились, достаточно одного атома примеси. Поэтому в кристаллике указанных размеров можно создать миллион (это далеко не предел) таких областей, расположенных в строго определенном порядке. От одной области к другой протекают электрические токи. Они распространяются по самым прихотливым путям, натыкаются на препятствия, ищут обходные пути и наконец достигают (или не достигают) специальных выводов, которые для данной схемы являются выходными. Это и есть БИС.Она интегральная потому, что в ней объединено (интегрировано) много областей, называемых также компонентами.Если их количество имеет порядок миллиона и выше, то интегральная схема с полным основанием приобретает название большой.Ну а что касается ее функционирования, здесь все ясно. Области, занимаемые примесями, играют ту же роль, что и отдельные аминокислоты в молекуле ДНК.Сложные пути, проходимые токами, — это и есть зафиксированная информация. Она составляет программу, в соответствии с которой открываются или закрываются отдельные пути для токов. Именно так и происходит переработка информации.Что могут современные ЭВМ, читатель хорошо знает; как было условлено выше, мы не станем касаться этих вопросов. Приведем только несколько данных, характеризующих основные свойства современных интегральных схем.Первая советская ЭВМ, разработка которой была закончена в 1952 году, требовала для своего размещения зал площадью около ста квадратных метров и мощности в несколько десятков киловатт. Потребляемая мощность была столь велика, что специальную проблему представлял отвод тепла. Кроме зала, занятого самой ЭВМ, требовался еще подвал с холодильной установкой.К началу 60-х годов размеры ЭВМ (при одинаковой производительности) уменьшились до габаритов письменного стола, а потребляемая мощность снизилась до нескольких десятков ватт. Современная интегральная технология позволяет разместить ЭВМ, обладающую почти теми же возможностями, в корпусе наручных часов. Она может питаться в течение года от одной батарейки размером меньше копеечной монеты.
