Особенно хорошо чувствует прогресс технологии тот, кто своими глазами видел производство телевизоров или приёмников лет 40–50 назад. По ленте очень длинного конвейера медленно двигалась основная схемная плата, и сидящие рядом вдоль всей ленты симпатичные девушки в белых халатах постепенно «набивали» её деталями. Одну за другой они ставили на эту плату контактные ламповые панели, разноцветные резисторы и конденсаторы, укладывали кусочки монтажного провода и небольшим паяльником делали нужные соединения, каждый раз оставляя на плате серебристую слезинку припоя. Попробуйте представить себе, как выглядело бы и, главное, сколько стоило бы такое производство персональных компьютеров, в каждом из которых фактически сотни миллионов и даже миллиарды деталей.
ВК-264.Электричество без шума и копоти освещает наши жилища и городские улицы, превращает ночь в день. Кроме обычных лампочек накаливания выпускаются и другие более совершенные преобразователи сетевого электричества в свет. Это трубки (лампы) дневного света, в них создаётся невидимое излучение, которое заставляет ярко светиться специальную краску, покрывающую трубку изнутри. Это и светодиоды, которые, пропуская ток в прямом направлении, создают яркое свечение в pn-переходе.
Р-121. СУММАТОР — ПРИМЕР РАССУЖДАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОНИКИ. В сложных электронных управляющих автоматах или в компьютерах бывает очень много различных логических элементов, которые небольшими и большими группами, или объединившись с другими элементами, например с триггерами, выполняют довольно сложные операции. Так, например, показанная на рисунке схема из четырёх логических элементов, которую обычно называют сумматор, складывает двоичные числа 0 + 0, 1 + 0, 0 + 1 и 1 + 1. Первые три операции выполняются довольно просто (0 + 0 = 0, 1 + 0 = 1 и 0 + 1 = 1), для всех трёх достаточно было бы одного логического элемента — одной схемы ИЛИ. А вот четвёртая операция (1 + 1 = 10) дело непростое. Потому что в двоичной системе счёта 1 + 1 = 10, то есть нужно в основном разряде получить 0 и единицу перенести в следующий разряд. Сейчас мы посмотрим, как решаются эти четыре задачи.
Во-первых, отметим, как при первых трёх операциях логический элемент ИЛИ, получив на свои два входа нули и единицы, выполнит все необходимые операции и мы получим на его выходе три правильных результата. Обратите внимание на то, что в нашей схеме результат получают не с этого элемента ИЛИ, а с дополнительного элемента И1, которому ИЛИ передаёт свои результаты — в первой операции 0, во второй, третьей и четвёртой 1. Но элементу И1 полученных от ИЛИ единиц недостаточно, элементу И1, чтобы выдать необходимую во втором и третьем случае 1, нужно для этого получить 1 на оба своих входа. Вторую необходимую 1 элемент И1 получит от элемента НЕ, который с элемента И2 получает 0 и выдаёт 1, поступающую на второй вход И1. Только в четвёртом случае, то есть при сложении 1 + 1, элемент НЕ с элемента И2 получает 1 и выдаёт 0 на вход И1, из-за чего он не может сработать и выдаёт 0, необходимый в этом случае для основного разряда. В то же время 1, направленная на вход элемента НЕ, по отдельному проводу ответвится и попадёт в соседний разряд — на выходе блока из четырёх логических элементов появится результат 1 + 1 = 10.
Первый удар по трудоёмкой ручной сборке электронных схем нанесли печатные платы — на них все соединительные цепи, все сотни отдельных проводков формировались в виде полосок тонкой медной фольги, причём формировались сразу, в едином технологическом процессе по имени фотолитография. В этом названии греческое слово «лито» (в переводе «камень») напоминает, что идея пришла от полиграфистов, они ещё лет двести назад использовали печатные формы на камне для тиражирования картинок.
В 1958 году, то есть примерно через 10 лет после рождения транзистора, был сделан следующий, едва ли не самый главный технологический рывок. Методами фотолитографии и введения примесей из газовой среды в одном полупроводниковом кристаллике сформировали сразу четыре транзистора, нанесли нужные соединительные линии и, как говорится, одним ударом получили электронный блок — первую полностью готовую четырёхтранзисторную интегральную схему, первый чип. В кристалле формировались также резисторы и конденсаторы, роль последних взял на себя рп-переход, на который подано обратное напряжение.
Технология интегральных схем быстро продвигалась вперёд и вскоре практически вытеснила из аппаратуры основные дискретные элементы — отдельные транзисторы, резисторы, конденсаторы. Через пару лет после создания первого чипа уже серийно выпускались интегральные схемы с десятками и сотнями элементов, сегодня рядовым и, кстати, довольно дешёвым стал кристалл, в котором миллионы схемных деталей. Причём выпускаются эти шедевры автоматами, без прикосновения человеческой руки — на большой кремниевой пластине формируется сразу несколько десятков интегральных схем, затем их тщательно проверяют, тоже, разумеется, автоматически, и, наконец, разрезают на отдельные кристаллы. Здесь уместно вспомнить ещё одно великое достижение технологов и совсем уже невидимых миру машиностроителей. Сложный электронный блок уже и собирают автоматы — они сами с очень высокой точностью ставят на печатную плату детали, сразу производят все пайки, тщательно проверяют готовое изделие.
Увеличить число элементов в кристалле позволили новые технологии, а также давшийся недёшево прогресс фотолитографии. Она начинала с деталей миллиметровых размеров, затем технология преодолела микронный рубеж, и в 1998 году ведущие фирмы уже выпускали процессоры, где детали транзистора имели размер 0,25 микрона, то есть 250 нанометров. Чтобы подобная деталь стала размером с булавочную головку, её надо увеличить в 5000 раз, при таком увеличении сама булавочная головка превратится в двухэтажный дом. Через три года технологи уменьшили размер транзистора в микросхеме до 130 нанометров, ещё через три года — до 70 нанометров, а сейчас широко выпускаются микросхемы с размером деталей 45 нанометров и строятся новые заводы, которые будут делать микросхемы с транзисторами размером 22 нанометра. Если увеличить такой транзистор до размеров булавочной головки и саму её увеличить во столько же раз, то булавочная головка превратится уже в 20-этажный дом.
ВК-265.Размышляя об электричестве и электронике, нельзя не вспомнить о чувствительных приборах и больших управляющих электронных устройствах в системе обороны страны. Их задача — вовремя обнаружить возникшую опасность и включить при необходимости средства защиты, детально отобразив события для операторов и военного руководства. Можно считать, что приборы оповещения и управления объектами обороны — важное слагаемое предохранения мира от большой войны.
Уменьшение размеров деталей в чипе имеет ещё одну цель, в каких-то случаях весьма важную, — уменьшается время срабатывания полупроводниковых приборов, то есть компьютер работает быстрее. Это, кстати, отражено в одной из главных характеристик процессора — его тактовой частоте. Ещё лет десять назад лучшие процессоры работали с тактовой частотой до 160 МГц (мегагерц), сегодня она превышает 2 гигагерца, а иногда и 4. Это, видимо, ещё не предел.
Технологии изменили качественный уровень других устройств, нередко при этом сделав их более дешёвыми, более доступными. Появился, например, принтер, где цветная картинка создаётся микроскопическими капельками чернил, их в нужный момент и в нужное место (точность попадания — микроны) выстреливает цепочка тепловых или пьезоэлектрических насосов, опять-таки микроскопических. Технологии сделали массовым изделием столь сложный физический прибор, как лазерный диод с гетероструктурой, где меняется не только тип проводимости микрокристалла (зона р, зона п), но и сама его физическая природа.
Почти везде одна из основных технологических задач — миниатюризация и в перспективе даже переход на молекулярный уровень. Так что очень может быть, что круг замкнётся, и электронная техника придёт к молекулярным шедеврам информационных систем живой природы.
ВК-266. Водород мог бы быть отличным поставщиком энергии для электрических машин, на этом и на следующем рисунке несколько подтверждающих это напоминаний. Простая химическая формула напоминает, что молекулярный водород Н2 при сжигании (соединении с кислородом О2) отдает почти в 3 раза больше энергии, чем бензин. Атомарный водород Н еще в 2,7 раза эффективнее. Водорода у нас очень много. Сжигание водорода не загрязняет атмосферу, остаток процесса — чистая вода.
ВК-267.В мае 1937 года, после двух дней полёта из Европы в Америку, при посадке взорвался заполненный водородом огромный (длина 245 метров) дирижабль Z-129. Эта трагедия стала началом недоверия общества к водороду, страха перед взрывами и пожарами, к запретам на его применение. Но всё же сегодня мы имеем отработанные технологии и немало надёжных водородных систем — от заправочной колонки до ракет, самолётов и авто. Проблема в другом — водород пока в несколько раз дороже бензина.
Глава 21Задачи на послезавтра
Инженеры соревнуются в изобретательности, фирмы конкурируют на рынке и в итоге промышленность непрерывно предлагает электрические новинки и новшества. Появление новой машины — процесс небыстрый, её надо придумать и продумать, сконструировать, выпустив альбомы чертежей, испытать опытные образцы и утвердить их в многочисленных контрольных комиссиях. А некоторые будущие новинки пока ещё находятся на стадии научных поисков и разработок, они, видимо, придут в жизнь (если придут) не очень скоро, так сказать, послезавтра. Но при этом принесут в электротехнику и энергетику принципиально новые подходы к жизненно важным задачам, которые непременно придётся решать человечеству, может быть, уже в ближайшие десятилетия.