В зависимости от типа активной среды лазеры можно поделить на несколько основных групп: газовые лазеры, лазеры на красителях, лазеры на парах металлов, твердотельные лазеры, полупроводниковые лазеры и др. В каждой группе существует своё более узкое деление: например, газовые лазеры могут быть классическими газовыми, а также химическими, эксимерными, ионными, на парах металлов и т. д.[7] Следующий уровень классификации – это разделение по конкретным материалам активной среды: например, классические газовые лазеры могут быть гелий-неоновыми, аргоновыми, криптоновыми, азотными, углекислотными.
В зависимости от длины волны, режима излучения и его мощности лазеры пригодны для использования в тех или иных областях. Скажем, углекислотным лазером с его мощным длинноволновым инфракрасным излучением в непрерывном режиме можно резать и сваривать, а маломощным полупроводниковым красным лазером – считывать штрих-коды на кассе.
Один из самых заметных вкладов советской науки в «лазерную гонку» – это изобретение эксимерных лазеров. О них мы сейчас и поговорим.
Теория димера
Слово «эксимер» представляет собой акроним английского словосочетания excited dimer («возбуждённый димер»). Димер – это сложная молекула, которая состоит из двух простых (мономеров), причём они могут быть одинаковыми или разными.
Особый случай тут представляют благородные газы – гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Они инертны и в основном состоянии не способны образовывать молекулы и какие бы то ни было химические соединения. Зато, когда их атомы находятся на более высоком энергетическом уровне, благородные газы без проблем образуют двухатомные димеры. Это свойство благородных газов и используется в эксимерном лазере.
Когда мы с помощью электрического разряда возбуждаем атомы инертного газа, происходит процесс образования димеров. Это могут быть либо двухатомные молекулы газов, либо их соединения с галогенами (хлором и фтором) – галогениды (изначально термин «димер» относился только к первому случаю, но позднее был расширен). При этом если прекратить подачу энергии, то димеры сразу же распадутся; иначе говоря, невозбуждённых молекул или соединений благородных газов не существует. Соответственно, само появление молекул автоматически создаёт инверсию населённостей, и рабочее тело – инертный газ или его смесь с галогеном – начинает излучать электромагнитные волны. После излучения молекула-димер переходит в основное состояние и за считаные пикосекунды распадается на мономеры (в данном случае на два атома).
Излучение эксимерных лазеров находится в ультрафиолетовой области с длиной волны от 126 до 351 нанометра и зависит, как и у прочих лазеров, от конкретного вещества активной среды. Короткая длина волны (и, следовательно, высокая энергия фотона) и высокая мощность делают их подходящими для выполнения ряда задач, неподвластных другим типам лазеров, – иначе говоря, их нельзя ничем заменить.
А теперь перейдём к короткой, но яркой истории изобретений.
Сделано в СССР
Во второй половине 1960-х годов уже знакомый нам Николай Басов и его многочисленные коллеги из Физического института АН СССР – Юрий Попов, Бенцион Вул, Владимир Данилычев, Олег Крохин, Борис Копыловский, Виктор Багаев – активно занимались темой лазеров. Параллельно работали с лазерами в Государственном оптическом институте в Ленинграде, именно там 2 июня 1961 года был запущен первый советский лазер на рубине, его конструктором стал старший научный сотрудник Леонид Хазов. В 1962 году собственный лазер изготовили и в Физическом институте; хорошо известна вышедшая по этому поводу в 1963-м статья «Полупроводниковый квантовый генератор на p-n переходе в GaAs» за авторством большого числа людей. Ещё раньше, в 1959-м, в статье «Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний» были предложены полупроводниковые лазеры, хотя до реализации дело дошло значительно позже.
К концу 1960-х СССР полноправно участвовал в «лазерной гонке», поэтому практический результат не заставил себя ждать. Расширение диапазона длин волн существующих лазеров было важной задачей – это открывало новые возможности для науки и промышленности.
В 1971 году группа Басова, включавшая также Юрия Попова и Владимира Данилычева, представила в Физическом институте совершенно новый тип лазера – собственно эксимерный. Рабочей средой в нём служила ещё не смесь благородного газа и галогена, а чистый димер ксенона Xe2. Длина волны составляла 172 нанометра – на тот момент это был самый коротковолновый лазер в мире.
Новую схему тут же взяли на вооружение иностранные учёные, и началась разработка эксимерных лазеров других типов. Самое известное развитие темы было сделано в 1975-м: в том году четыре исследовательские группы из Avco Everett, Sandia, Northrop и U. S. Naval Research Laboratory независимо друг от друга (!) пришли к концепции смешивания благородных газов с галогенами. В первых трёх лабораториях получили эксимерный лазер на ксенон-броме, в четвёртой – на ксенон-хлоре. Такая плотность результатов – свидетельство того, что «лазерная гонка» велась не только между государствами, но и между лабораториями.
Применение эксимерных лазеров
Почему же эксимерные лазеры так важны?
Во-первых, они являются одним из важнейших современных инструментов микрохирургии. Почти все биологические ткани очень хорошо поглощают ультрафиолетовое излучение, и при уменьшении длины волны поглощение резко растет. Поэтому УФ-излучение проникает в ткани на очень малую глубину, отдавая тонкому слою всю энергию светового импульса (а она у эксимерных лазеров достаточно велика). В результате происходит практически мгновенное нагревание очень небольшого фрагмента до высокой температуры, ткань разрушается, а продукты её разрушения испаряются. Все это происходит настолько быстро и настолько локально, что ни тепло, ни продукты разрушения не успевают распространиться к соседним участкам ткани, которые остаются невредимыми. Этот процесс называется лазерной абляцией. Человек не испытывает никаких болевых ощущений, а удалять можно исключительно тонкие слои и фрагменты, не затрагивая окружающие ткани. Такое использование эксимерного лазера запатентовала (US 4784135) в 1988 году группа американских физхимиков из компании IBM: Рангасвами Шринивасан, Сэмюэль Блум и Джеймс Винн. Их патент касался стоматологической хирургии, но впоследствии эксимерные лазеры начали применять в дерматологии, например для удаления псориазных пятен и витилиго, а также в кардиохирургии.
Особенно активно эксимерные лазеры используются в хирургии глаза. Если вы слышите словосочетание «лазерная коррекция зрения», то с наибольшей долей вероятности речь идёт именно об эксимерном лазере. Например, широко распространён лазерный кератомилёз – хирургическое исправление рефракционных свойств роговицы путём испарения тонкого слоя её ткани в нужных местах, рассчитанных специальной программой (эта операция также известна под аббревиатурой LASIK).
Широкое применение эксимерные лазеры нашли в микроэлектронике, причём здесь их начали использовать задолго до первого медицинского патента, ещё в 1982 году. В частности, эксимерные лазеры используются в современных фотолитографических машинах для изготовления микроэлектронных чипов. Обычно это лазеры «криптон – фтор» и «аргон – фтор» с длинами волн 248 и 193 нанометра соответственно.
Многие слышали о законе Мура: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». Этот закон был сформулирован в 1965 году, и уже довольно скоро он должен перестать действовать, поскольку бесконечное уменьшение физических объектов (транзисторов) невозможно. Именно эксимерные лазеры обеспечивали соблюдение этого закона последние 20 лет.
«Лазерная гонка» не прекращается и сегодня. Новые типы лазеров и их отдельных элементов (в частности, резонаторов) появляются ежегодно, причём нередко описания изобретений звучат более чем экзотично. Например, в 2016 году германо-шотландская исследовательская группа создала лазер на материале биологического происхождения – модифицированном зелёном флуоресцентном белке (eGFP), вырабатываемом некоторыми видами медуз. По своему типу он относится к поляритонным лазерам – специфической разновидности полупроводниковых устройств.
Глава 19. Да, нет, не знаю
Троичная логика – это частный случай многозначной логики. В троичной логике элемент может принимать не два значения, а три. Однако существует чёткая троичная логика с однозначно заданными значениями (например, 0, 1, 2 или –1, 0, +1) и нечёткая, где одно, два или все три значения могут быть нечёткими (например, «истинно», «ложно» и «неопределённо»).
Наиболее известна трёхзначная логика, разработанная американским математиком Стивеном Коулом Клини, а первую в истории трёхзначную логику выделил в математическую модель польский философ и логик Ян Лукасевич в 1920 году (третьим значением в логике Лукасевича было «нейтрально»). Обратите внимание: это произошло значительно позже, чем Фаулер построил свою механическую машину: тот практически не опирался на теорию, а проектировал механизм для сугубо практических вычислительных целей.
Надо сказать, что Лукасевич не удовлетворился созданием троичной логики и довёл свою теорию до абсолюта, введя понятие уже упомянутой многозначной логики, где количество принимаемых значений может быть бесконечным. Наиболее известен его труд «Аристотелевская силлогистика с точки зрения современной формальной логики», вышедший в 1951 году и многократно переиздававшийся после того, как в 1956-м Лукасевич умер.
Здесь следует сделать одно важное замечание. Многозначная логика – это сложный инструмент, который применяется для решения специфических логических задач, например в теории автоматического управления или, как ни странно, в лингвистике. На практике же реализовать механизмы многозначной логики трудно, и, что важнее, она не даёт значительных преимуществ по сравнению с использованием привычной нам двоичной системы (точнее, преимущества многозначной логики не стоят тех трудностей, с которыми связано её использование в реальной жизни).
И пожалуй, единственным исключением из этого правила является троичная логика, которая всё-таки нашла себе применение в материальном мире.
От Фаулера к ЭВМ
В апреле 1952 года в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР под руководством Иосифа Брука начали работу над третьей после МЭСМ и М-1 советской электронно-вычислительной машиной, получившей индекс М-2. Параллельно в других научных центрах строились ещё два ламповых гиганта – БЭСМ-1 для Академии наук и предсерийная «Стрела» для КБ-1 (ныне НПО «Алмаз»). М-2 планировалось смонтировать на кафедре вычислительной математики механико-математического факультета МГУ, но, когда к 1955 году машина была окончена, собрана в четырёх шкафах и отлажена, планы руководства поменялись и ЭВМ осталась в лаборатории электросистем, где в течение 15 лет решала задачи, поступавшие от различных институтов.
Тем не менее МГУ очень нуждался в собственной ЭВМ: под неё уже было выделено место, несколько инженеров прошли предварительную подготовку по отладке машины. Предполагалось, что она поступит из лаборатории СКБ-245 Министерства машиностроения и приборостроения СССР (ныне НИЦЭВТ), именно там работали над «Стрелой». Но ожидание могло затянуться не на один год, и у заведующего кафедрой – известного математика Сергея Соболева – возникла светлая идея: не надеяться на высшие силы, а построить собственную машину. К слову, чуть позже Соболев инициировал создание при кафедре вычислительного центра – сегодня это Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ.
Руководителем проекта стал Николай Брусенцов, молодой и перспективный инженер из конструкторского бюро МГУ. Брусенцов горел новаторскими идеями и первым делом исключил мысль о том, чтобы строить ламповую ЭВМ. Это звучало прогрессивно: первые безламповые ЭВМ только-только начинали появляться и в стране, и в мире. Но была проблема, и она заключалась в том, что с полупроводниковыми элементами в те времена дело обстояло плохо, особенно если говорить о транзисторах. В конструкции упомянутой М-2 наряду с лампами использовались диоды КВМП-2–7, а для постройки безламповой ЭВМ требовались именно транзисторы, единственным доступным аналогом которых в то время в СССР были феррит-диодные элементы.
Советским пионером разработки таких элементов был Лев Гутенмахер, руководитель лаборатории электромоделирования Института точной механики и вычислительной техники АН СССР. Брусенцову разрешили ознакомиться с работой Гутенмахера, и молодой инженер на основе двоичных элементов спроектировал собственный вариант ферритодиодной ячейки. Чуть позже, к слову, Гутенмахер закончил работу над ЛЭМ-1 – первой советской безламповой ЭВМ.
Но на этом Брусенцов не остановился. Он предложил пойти по совершенно иной, нежели в других лабораториях, дороге – и разработать не двоичную, а троичную машину. Идея казалась необычной и даже революционной: никто и никогда не строил троичных ЭВМ, механический вычислитель Фаулера столетней давности можно было не брать в расчёт. Все компьютеры мира, которых на тот момент насчитывалось едва ли пара десятков, работали на двоичной логике.
Брусенцов считал, что исключение третьего значения ограничивает возможности вычислительной техники, поскольку мышление человека не сводится к «да» и «нет», а имеет больше вариаций. Соответственно, у компьютера на троичной логике больше шансов приблизиться к человеку – Брусенцов видел в этом стремление к искусственному интеллекту.
В его рассуждениях имелось здравое зерно. Троичный компьютер был обратно совместим[8] с двоичными машинами – он мог работать в двоичном режиме и выполнять те же, лишь слегка модифицированные, программы. При этом троичная логика давала некоторые преимущества. Брусенцов предлагал использовать так называемую троичную симметричную систему (–1, 0, 1), простую и экономичную. В такой системе не нужно отмечать знак всего числа – оно отрицательно, если его старший разряд отрицателен, и наоборот, а округление производится простым обнулением младших разрядов. Экономичность системы заключается в том, что при равном числе знаков она позволяет записать большее количество чисел, нежели любая другая логика. Судите сами: в десятичной системе 30 знаками можно записать числа от 0 до 999 (то есть три разряда, по десять значений в каждом), в двоичной – от 0 до 32 767, а в троичной – от 0 до 59 048!
В остальном троичная машина аналогична двоичной. Единица информации (один троичный разряд) называется тритом (аналог в двоичной системе – это бит), шесть тритов образуют трайт, который может принимать 729 значений против 256 у байта.
Как строили машину
Специального финансирования группе Брусенцова не выделили, и инженеры вынуждены были вписываться в бюджет МГУ. Большую часть оборудования для работы они делали своими руками, кроме того, им доставались списанные задним числом за подписью Соболева осциллографы и другие приборы. Начиналась лаборатория с четырёх человек, а впоследствии разрослась до 20. Отчасти потому машину строили довольно долго: работы начались в 1955-м, а первые испытания прошли только в декабре 1958-го. За эти годы было много бюрократических проблем – в частности, в разгар разработки в МГУ явился ревизор из Государственного комитета по радиоэлектронике и постановил работу над машиной свернуть как пустую растрату средств. Спасли ситуацию личные связи Соболева, который добился аудиенции в ЦК КПСС и в тот же день вернулся в сопровождении сотрудника Отдела оборонной промышленности ЦК, получив в итоге разрешение на разработку!
На тот момент Брусенцов уже выступил с докладами на нескольких международных конференциях и у него было предложение из братской коммунистической Чехословакии продать техническую документацию, чтобы начать производство машины в Брно. Но советские чиновники чехам отказали.
Машину назвали «Сетунь» в честь притока Москвы-реки. По окончании основной конструкторской части ЭВМ дорабатывали ещё полтора года, а в 1960-м были проведены межведомственные испытания перед комиссией, в состав которой вошли представители целого ряда предприятий: НИИ счётных машин, Института электромеханики, НИИ математики и механики и т. д. Испытания прошли хорошо, машина получила положительные отзывы и была рекомендована к серийному производству специальным актом от 29 апреля 1960 года.
И вот тут возникла проблема. Всё это время над машиной работал довольно узкий технический коллектив, все инженеры держали большую часть схем в набросках, черновых чертежах или вовсе в головах, и никакой толковой производственной документации на «Сетунь» просто не существовало!
В результате документацию разрабатывала совершенно другая организация – Вычислительный центр АН УССР (ныне Институт кибернетики имени В. М. Глушкова), где за 10 лет до того создали первую советскую вычислительную машину МЭСМ. Абсолютно сырой результат этой разработки (как позже рассказывал Брусенцов, чертежи вообще не проверяли и изготовленные по ним детали не подходили одна к другой) отправили на Казанский завод математических машин, который как раз освоил производство ЭВМ М-20, самых мощных на тот момент в Советском Союзе. Времени было в обрез: к осени 1961 года первый серийный образец следовало доставить на ВДНХ для участия в выставочной программе. Довести документацию до рабочей версии с применением ряда узлов от М-20 уже не успевали, поэтому первый экземпляр «Сетуни» отличался от последующих: его строили по кое-как подогнанным первичным чертежам, а настраивал машину лично Брусенцов уже в Москве.
На ВДНХ «Сетунь» имела успех и получила золотую медаль. Примерно в это же время Казанское специальное конструкторское бюро математических машин довело документацию до более или менее рабочего вида, и в ноябре 1962 года усовершенствованная «Сетунь» прошла государственные межведомственные испытания – последнюю проверку перед серийным выпуском. Самый первый образец, принимавший участие в выставке, пропал в середине 1962-го – скорее всего, его по доброй советской традиции отправили в металлолом.
Плановое производство ЭВМ «Сетунь» шло успешно: 7 машин построили в 1962 году, 13 – в 1963-м, 20 – в 1964-м, 5 – в 1965-м, всего с учётом опытного образца было 46 единиц. Но дальше произошло нечто странное. На «Сетунь» поступало много заявок, в том числе от Внешторга, то есть машиной интересовались за рубежом! Но все эти заявки были отклонены, а в 1965 году сверху поступило указание: производство «Сетуни» прекратить. Непонятна логика или экономическая подоплёка такого решения – на тот момент «Сетунь» была современной, отвечающей всем требованиям и хорошо себя показавшей ЭВМ. Скорее всего, кого-то из аппарата очень раздражал тот факт, что в серию попала машина, разработанная энтузиастами без разрешения и приказа партии, – такие вещи в СССР обычно пресекались. Официальная причина прекращения производства так никогда и не была обнародована.
После «Сетуни»
Конечно, Брусенцов не сдался, тем более что многие лаборатории уже занимались разработками в области троичной логики, были новые исследования, прогресс не стоял на месте. Поэтому группа Брусенцова занялась созданием машины нового поколения – компактной троичной ЭВМ «Сетунь-70». Одну из главных ролей в разработке сыграл специалист испанского происхождения (родившийся, правда, в СССР) Хосе Рамиль Альварес, который начинал ещё на «Сетуни», будучи студентом, а теперь стал одним из ведущих советских программистов и разработчиков программного обеспечения. Альварес и сегодня появляется в МГУ, несмотря на заслуженный возраст (он 1940 года рождения), и может многое рассказать студентам о тех работах.
Так или иначе троичная машина по-прежнему никому не была нужна. Соболев, всячески поддерживавший группу Брусенцова, ещё в 1957 году уехал в Новосибирск, где возглавил Институт математики Сибирского отделения АН СССР. Лабораторию Брусенцова почти сразу после снятия «Сетуни» с производства переместили в чердачное помещение, а второй экземпляр «Сетуни», который стоял на мехмате МГУ, демонтировали и уничтожили (только пульт отправили в Политехнический музей).
Поэтому «Сетунь-70», построенная в период с 1972 по 1974 год, так и осталась занимательным экспериментом. Все специалисты, работавшие над ней, преподавали в МГУ, они публиковали монографии и пособия по различным методам программирования, разработкам ЭВМ и т. д. – но всё это была теория. Весной 1974 года Брусенцов даже провёл со своими студентами коллоквиум по курсу численного анализа с тестированием на «Сетуни-70». Машина работала в МГУ до 1987 года.
Стоит заметить, что одной из причин неудачи троичного компьютера, пусть и не имевшего серьёзных преимуществ перед двоичным, стала советская система. У изобретателя-«частника» в СССР был только один путь – через прошения и вышестоящее начальство к межведомственной комиссии и подписям чиновников, которые порой приходилось собирать по нескольку лет. Если бы «Сетунь» появилась в стране с рыночной экономикой, её создатель мог бы предложить свою концепцию десяткам компаний, от Hewlett-Packard до IBM, или начать собственный бизнес. Не факт, что в таком случае его бы ждала удача, но, по крайней мере, возможностей у него было бы больше. В СССР же, когда изобретателю отказывал единственный заказчик – государство, на этом всё заканчивалось.
Брусенцов скончался в 2014 году в возрасте 89 лет, так и не увидев широкого распространения своей идеи. Тем не менее ему принадлежит целый ряд разработок в области программирования, от первой советской компьютерной системы обучения «Наставник» до диалоговой системы структурированного программирования (ДССП) – специального языка программирования, основанного на троичной логике.
Предпринимались ли попытки построить троичный компьютер за рубежом? Да, предпринимались, но на более низком уровне. Например, в 1973 году в Университете штата Нью-Йорк в Буффало была написана программа TERNAC, эмулирующая троичную логику на бинарной машине Burroughs B1700. Эмуляция показала, что троичная логика не уступает двоичной ни по производительности, ни по скорости вычислений, но дальше этого дело не пошло. В 2008 году группа исследователей из Калифорнийского государственного политехнического университета разработала и построила «в железе» трёхуровневую троичную систему TCA2 – она стала третьей в истории после «Сетуни» и «Сетуни-70» практической попыткой реализовать троичную логику, хотя за рамки лаборатории машина так и не вышла. В 2009 году была предложена троичная схема квантового компьютера, в котором ячейкой информации служил не бинарный кубит, а троичный кутрит, способный одновременно иметь не два, а три различных состояния. Впрочем, до практической реализации этой модели пока далеко.
Найдёт ли троичный компьютер своё место в будущем? Я не знаю. У него был бы шанс – если бы Брусенцов пробился через бюрократические препоны. С тех пор так и не нашлось человека, готового посвятить жизнь троичной логике. Если через много лет идеи Брусенцова всё-таки окажутся реализованы (скорее всего, в квантовых компьютерах), я буду очень рад.