Какие перспективы в развитии электроники? Возможно ли создание искусственного разума? (Соболев Алексей, 16 лет)

Рассказывает кандидат технических наук В. Е. Родиков.

Чтобы понять, что будет дальше, надо посмотреть, что достигнуто сегодня. С тех пор как в конце 50-х - начале 60-х годов появились интегральные микросхемы, которым стало суждено произвести переворот в электронике, инженеры стараются разместить в каждой из них как можно большее число элементов: транзисторов, диодов, сопротивлений, емкостей, индуктивностей. А для этого все эти элементы пытаются сделать как можно мельче. Это продолжающееся до сих пор соревнование несколько напоминает одну английскую притчу - вариант лесковского Левши. В ней говорится, что будто один мастер-виртуоз послал другому булавку. На ее головке он выгравировал слова: "Как тебе это правится?" Последовал ответ: "Ничего особенного". Написано это было на той же булавке, но... внутри одной из букв.

Так и в электронике. Начиная с 60-х годов число элементов в наиболее сложных интегральных схемах примерно удваивалось, а в 1970 году микросхема площадью всего 1,5 квадратного сантиметра содержала больше элементов, чем самое сложное электронное устройство, которое могло быть создано в 1950 году. Чтобы получить представление о достигнутом уровне микроминиатюризации электронных схем, один зарубежный журнал советовал сделать следующее:

"Вырвите у себя волос. Его толщина равняется приблизительно ста микронам. Представьте себе теперь, что вы умещаете 400 транзисторов, каждый из которых состоит из линий толщиной в один микрон, на кристалле кремния размером с сечение вашего волоса. Теперь сожмите эти линии до толщины в полмикрона, и вы сможете примерно на той же площади разместить почти 1500 транзисторов. Еще раз разделите все пополам. При толщине четверть микрона каждый из транзисторов по размеру будет приблизительно равен крупному вирусу, и вам хватит места для 4500 транзисторов".

В 1987 году в печати сообщалось, что уже создан транзистор, где толщина линии 0,1 микрона (или в новых терминах - микрометра), то есть одна десятая от миллионной доли метра. А линиями как раз и "рисуют" с помощью литографических приемов на пластине из кремния, арсенида галлия или другого полупроводникового материала транзисторы, соединительные провода и все прочие детали электрической схемы. Чем тоньше линия, тем меньше элементы схемы, тем плотнее ее электронная начинка. Поэтому не только количество транзисторов в кристалле характеризует микросхему, но и толщина линии.

Весьма показателен следующий пример, демонстрирующий фантастические успехи микроминиатюризации. Все мы имеем более или менее ясное представление о магнитных головках. С их помощью в магнитофонах происходит запись на магнитную ленту и воспроизведение с нее. В вычислительных машинах магнитная лента, а чаще магнитные диски используются в качестве памяти. Так вот, создана головка для записи информации на магнитный диск размером... с точку в конце этого предложения. Причем она более чувствительна к электромагнитным полям, чем головка с проволочной катушкой, что позволяет записывать на магнитный диск информацию с большей плотностью.

Современные микросхемы или, как их часто называют за рубежом, чипы (в переводе с английского это не то "ломтики", не то "дешевка") содержат более двух миллионов элементов. С другими микросхемами каждого из них соединяют пять миллионов проводников. Менее трех десятилетий назад, до возникновения микроэлектроники, радиомонтажнику пришлось бы потратить 10 лет на установку двух миллионов дискретных элементов. Изделие, на изготовление которого когда-то пошло бы 10 человеко-лет, теперь стоит на международном рынке несколько десятков долларов, а в перспективе его цена упадет до нескольких долларов.

Чтобы создать чип, надо его спроектировать, изготовить и испытать. Эти задачи уже вышли за рамки человеческих возможностей. Разместить несколько миллионов деталей на крохотной полупроводниковой пластине - с такой задачей может справиться только компьютер. А под силу ли человеку проверить десятки-сотни тысяч схем в чипе? Тоже без компьютера не обойтись. В общем, наступает пора, предсказанная фантастами: чипы начнут производить себе подобных.

Возникает естественно вопрос: где же предел малости? А если конкретнее - сколько все-таки можно будет разместить транзисторов на одной полупроводниковой пластинке?

Грубую оценку можно сделать, разделив наибольший практический размер полупроводниковой пластины на наименьший практический размер транзистора. Оценивая наименьший размер транзистора, исходят из того, что в нем должно находиться определенное число подвижных электрических зарядов, чтобы он устойчиво работал. При меньшем числе зарядов он просто не будет нормально работать. Исходя из этого условия, минимальная площадь, занимаемая транзистором, будет равна одному квадратному микрону, или одной стомиллионной части от квадратного сантиметра.

В настоящее время наиболее экономно делать микросхему на полупроводниковой пластинке площадью не более одного квадратного сантиметра, а иначе слишком много полупроводникового материала идет в отходы. Специалисты считают, что со временем можно будет использовать для одной микросхемы полупроводниковую пластинку или, иначе, кристалл площадью в 10 квадратных сантиметров.

Сколько же транзисторов можно расположить на пластинке такого размера? К сожалению, большая ее часть (90 процентов) пойдет на соединения и изоляцию элементов друг от друга. И только около одного квадратного сантиметра может быть заполнено транзисторами. Если каждый транзистор будет занимать площадь примерно 10-8 квадратных сантиметров, то на одном кристалле уместится 100 миллионов транзисторов. Если учесть, что современные чипы уже содержат два миллиона транзисторов, то их сложность может быть увеличена в 50 раз, прежде чем нынешняя технология исчерпает себя.

При современных темпах научно-технического прогресса этот рубеж может быть достигнут за десятилетие. Тогда один такой суперчип сможет выполнять всю работу сегодняшних стационарных ЭВМ.

Как мы видим, известны те пределы, до которых может быть уменьшен транзистор. Хотя, чтобы их достигнуть, надо преодолеть еще много преград. Но специалисты сходятся во мнении, что работать с линией тоньше, чем 0,1 микрона, видимо, нет смысла. При таких размерах знакомые материалы ведут себя странно. Например, тончайшие полоски алюминия, которые соединяют транзисторы, извиваются как змеи, когда по ним проходят электроны. В этом тонком мире действуют уже и другие законы, и вполне вероятно, что там нас ждут неожиданные открытия.

Кроме того, не только физика накладывает ограничения, но и экономика. Возможно, что еще раньше, чем будет достигнут физический предел малости транзисторов, наступит экономический предел. В последние два десятилетия стоимость чипов неуклонно снижается. При переходе на субмикронные размеры элементов изменяются и методы изготовления чипов, и тенденция снижения их стоимости может обратиться вспять. Сверхмалые и сверхсложные чипы просто невыгодно будет производить. Как говорят: "Овчинка выделки не стоит". И наука ищет выход из ожидаемого, но еще не достигнутого тупика...

А что если отказаться от привычных электрических схем? Что если для обработки информации использовать непосредственно какие-либо явления в разных средах - твердых, жидких, плазменных, полупроводниковых, магнитных, биологических... Функцию сложной схемы из транзисторов, диодов, резисторов и других элементов пусть непосредственно выполняет какой-либо физический процесс.

Такой принципиально новый подход получил название функциональной электроники. Понятие это емкое, обширное. В нем множество направлений, каждое из которых заслуживает отдельной популярной книги. Это и оптоэлектроника, и магнитоэлектроника, и акустоэлектроника, и криогенная электроника, и биоэлектроника...

Особенно популярна биоэлектроника. Вероятно, из-за экзотики. Еще бы, с ней связано столько заманчивых идей. Например, имплантация в мозг биоэлектронного устройства для восстановления зрения у слепых или создания самостоятельно собирающихся биологических вычислительных машин. Представьте себе ЭВМ, синтезированную с помощью бактерий! И вполне возможно, что лет через 15-20 это перестанет быть фантастикой. Уже многие научные коллективы работают в этом направлении.

Одним из кирпичиков биологических ЭВМ может стать молекула белка с "памятью", то есть обладающая способностью находиться в одном из двух состояний, как и транзистор. Создать молекулярный переключатель - проблема сложная и пока еще не воплощена в практическое устройство. Нужно, чтобы молекула могла изменять свое строение (например, конфигурацию электронных оболочек) и возвращаться в исходное состояние вполне определенным и контролируемым образом.

С переходом от кремниевых микросхем к "молекулярной" электронике на органических материалах, по-видимому, станет возможным добиться плотности записи информации до одного миллиарда миллиардов (1018) бит в одном кубическом сантиметре материала! Для сравнения отметим, что в человеческом мозге (его объем составляет 750 кубических сантиметров) можно записать информацию, эквивалентную одной тысяче миллиардов (1012) бит. Это текст нескольких сотен солидных книг. А в одном кубическом сантиметре генетического материала "спрессовано" две тысячи миллиард миллиардов (2х1021) бит информации.

Микротехника, создаваемая сегодня из биологических материалов, делает первые шаги, и возможно, что лет через 15 информационные биологические устройства станут нам столь же привычными, как и нынешние ЭВМ. А еще дальше, как говорят, чем черт не шутит, может, и удастся создать робота на биоэлементах, очень похожего на нас с вами.

Только вот сможет ли он думать по-человечески, или, по-иному, можно ли создать искусственный разум в буквальном смысле этого слова?

В принципе, пока это невозможно. Слишком уж сложен человеческий мозг. В нем примерно 40 миллиардов связанных между собой клеток, и каждая из них невероятно сложна. Сегодня, пожалуй, даже нельзя представить себе вычислительную машину, которая воспроизвела бы процессы человеческого мышления. Трудность здесь еще и в том, что их нельзя наблюдать непосредственно. О них лишь можно судить косвенно, изучая, как преобразуется информация, поступающая в мозг. Это объясняется тем, что в нашем мышлении огромную роль играет неосознанное чувственное восприятие внешнего мира, влияние которого трудно поддается изучению.

Тем не менее сейчас много говорят об "искусственном интеллекте", и этот термин не надо путать с искусственным разумом, который, дескать, может существовать вне человека. Искусственный интеллект - это название целого научного направления, которое объединяет математиков, лингвистов, психологов, инженеров и многих других специалистов.

Чем же отличаются "интеллектуальные" ЭВМ от обычных. Отличие в том, что в обычные ЭВМ для решения задач вводятся программы, а в интеллектуальные системы - знания. Или иными словами, раньше ЭВМ "понимали", как надо выполнить введенную в них программу, но не "понимали", что они при этом делают. Суть программы знал лишь программист, а ЭВМ, словно мощный арифмометр, просто выполняла нужные преобразования и вычисления.

"Интеллектуальные" ЭВМ учатся понимать, как создать нужную для решения поставленной задачи программу и что эта программа делает. То есть функции программиста частично или полностью выполняет сама ЭВМ. А для этого в ее память должны быть заложены определенные знания, на основании которых ЭВМ составляет программу и решает задачу. Тем, как это лучше сделать, и занимается молодая наука под названием "искусственный интеллект". По такому принципу разрабатываются ЭВМ пятого поколения, поэтому их иногда и называют интеллектуальными.

Долгосрочный прогноз в электронике - дело не очень верное. ЭВМ пятого поколения существуют еще в чертежах, а в печать просочилось сообщение, будто одна японская фирма разработала уже ЭВМ шестого поколения, в которой использованы принципы функционирования человеческого мозга. Да, впереди много неизведанного, непочатый край работы для молодых умов.