Информация или интуиция?
Шрифт:
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
Что такое тепловой насос? Его действие основано на хорошо известном в физике твердого тела эффекте Зеебека — Пельтье. Если нагревать область контакта двух различных металлов или полупроводников, возникает ЭДС, которая так и называется термо-ЭДС. Это явление было открыто немецким физиком Зеебеком еще в 1821 году и сейчас широко используется главным образом для создания различных измерителей температуры. Известно и обратное явление, открытое французским физиком Ж. Пельтье в 1&34 году. Если пропустить электрический ток через контакт двух различных металлов или полупроводников, то область контакта будет нагреваться или охлаждаться в зависимости от на правления тока.Можно, наконец, составить цепочку из чередующихся металлических (или полупроводниковых) стержней двух типов. Тогда при данном направлении тока, протекающего через цепочку, например, все четные спаи будут нагреваться, а все нечетные — охлаждаться. Поместив все нечетные спаи внутри теплоизолированной камеры, мы получим обычный холодильник. Воздух внутри камеры будет охлаждаться, пока не достигнет некоторой равновесной температуры, а контакты, расположенные вне камеры, будут нагреваться. Тепло от наружных контактов будет отводиться окружающим воздухом, и они тоже приобретут некоторую постоянную равновесную температуру. Полученная таким образом разность температур окажется пропорциональной мощности, затрачиваемой от источника тока, протекающего по цепочке стержней.Все это опять-таки общеизвестно. Более того, мощность, расходуемая подобным холодильником, будет в точности равна, например, мощности, расходуемой обычным холодильником с компрессором, если пренебречь некоторыми потерями, имеющими место при работе компрессора.Авторы тепловых насосов предлагают поступать так. Холодные контакты стержней вынести на улицу, где окружающий воздух имеет температуру, скажем,—10° С, а горячие контакты поместить в комнате. При пропускании тока горячие контакты будут нагреваться, а холодные охлаждаться. Поскольку в комнате расположены только горячие контакты, воздух в комнате будет нагреваться до тех пор, пока не установится равновесие.Все это пока совершенно правильно. Таким образом действительно можно нагреть комнату, причем количество затраченной электроэнергии будет в точности равно количеству, потребному для нагревания данного объема воздуха с помощью любого преобразователя. Это легко посчитать. Количество энергии, потребляемой от источника нагревателем, основанным на эффекте Пельтье, в единицу времени, равно произведению силы протекающего тока на сумму термо-ЭДС всех контактов (наряду с эффектом Пельтье, как и следует ожидать, здесь имеет место и эффект Зеебека).Сумма термо-ЭДС пропорциональна разности температур. При данной величине тока количество затраченной энергии пропорционально разности температур вне зависимости от того, помещаем ли мы горячие спаи в теплоизолированный объем (комнату) и таким образом нагреваем его (холодные спаи при этом поддерживаются при температуре окружающей среды) или, наоборот, помещаем холодные спаи в теплоизолированный объем (холодильную камеру), а горячие поддерживаем при температуре окружающей среды.
ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ!
Повторяем еще раз, все это азбука термодинамики, и мы тратим на это время только потому, что в последнее время в литературе начали проскальзывать следующие рассуждения. Представим еще раз цепочку стержней, холодные контакты которых расположены на улице, а горячие — в комнате. Авторы тепловых насосов рассуждают так. При протекании
СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Поскольку речь идет об информационных методах в технике, нельзя обойти молчанием системы связи, применительно к которым К. Шеннон и формулировал свои основы теории информации. Системы связи — это огромная область, даже беглый обзор которой требует самостоятельной книги. Поэтому здесь мы, по существу, коснемся лишь одного вопроса, наиболее важного для развиваемой нами точки зрения: как кодируются сообщения?Сейчас используют в основном электрические и радиотехнические (которые тоже можно считать частным случаем электрических) системы передачи данных на. расстояние. В этих системах информация, которую нужно передать, представляется переменными электрическими напряжениями — сигналами. Система связи строится таким образом, чтобы закон изменения напряжения во времени на приемном конце по возможности точно соответствовал такому же закону на передающем конце канала связи.Максимальная величина напряжения ограничивается энергетическими соображениями. Два различных значения напряжения различимы в том случае, если разность между ними больше, чем уровень шумов, который всегда присутствует в любом канале связи. Отсюда следует, что на приемном конце мы можем производить выбор лишь среди конечного (обычно не очень большого) количества значений электрического напряжения. Наиболее надежная связь получается в том случае, когда таких значений только два: либо оно есть — говорят, что в этом случае сигнал имеет значение единицы, либо его нет — сигнал имеет значение нуля. Такие двоичные посылки используются в телеграфии.Существуют ограничения и во времени. Благодаря особенностям каналов связи мы можем констатировать, что электрическое напряжение на приемном конце имеет данное значение только в том случае, если оно поддерживается в течение определенного промежутка времени. Переход от одного значения к другому также требует времени. Значит, за определенный промежуток времени мы можем передать по каналу связи (независимо от его природы) лишь конечное число значений напряжения или, как говорят связисты, посылок. Максимальное количество посылок, передаваемое в единицу времени, — это основная характеристика любого канала связи.Но передавать надо не посылки, а сообщения, имеющие смысл, например, последовательности букв русского или латинского алфавита. Поскольку количество букв в алфавите обычно оказывается больше, чем количество различимых значений напряжения, каждой букве ставится в соответствие несколько посылок, составляющих определенную комбинацию. Такой процесс установления соответствия между буквами или какими-либо другими символами и комбинациями электрических посылок называется кодированием.А теперь самое главное. Основная задача, решаемая при проектировании любого канала связи, состоит в том, каким образом передать в единицу времени наибольшее количество информации. Такая задача возникает по многим соображениям, в том числе и экономическим. Каждая секунда работы канала связи обходится в определенную сумму денег, поэтому чем больше информации мы передадим за эту секунду, тем дешевле будет стоить передача единицы информации. Аналогичным образом, затраты энергии в канале связи также пропорциональны времени ее функционирования. Поэтому чем больше информации будет передано в единицу времени, тем меньше будет стоить передача единицы информации и тем меньших энергетических затрат она потребует.Анализ современных языков показывает, что отдельные буквы в них встречаются с различной частотой. Например, в русском языке чаще всего встречается буква «а» и реже всего — буквы «ш» и «ъ». Ясно, что среднее количество букв, передаваемых по каналу связи в единицу времени, будет наибольшим, если чаще встречающиеся буквы кодировать комбинациями, состоящими из меньшего числа посылок, а реже встречающиеся буквы кодировать комбинациями, состоящими из большого числа посылок.Пусть, например, в некотором сообщении буква «е» встречается 20 раз, а буква «ш» 2 раза. Если каждой из этих букв поставить в соответствие, скажем, по три посылки, то общее количество посылок будет 66 и при скорости передачи 1000 посылок в секунду, за секунду можно передать примерно 333 буквы. Если же букве «е» ставить в соответствие одну посылку, а букве «ш» — четыре посылки, то общее количество посылок будет 28 и при той же скорости передачи за секунду можно будет передать 785 букв.Именно это соображение послужило отправной точкой для всей шенноновской теории информации. Говорят, что мера Шеннона — это среднее количество информации, приходящееся на один символ, в сообщениях, передаваемых по каналам связи.Давайте хорошенько подумаем, так ли это на самом деле. Предположим, что мы располагаем набором копий телеграмм, поступивших в какое-то телеграфное отделение в течение месяца. Можно ли на основании анализа этих телеграмм утверждать, что отдельные смысловые единицы (именно смысловые единицы — они-то и содержат информацию, а не символы) встречаются в телеграммах чаще, чем другие. Можно ли, например, считать, что слова «выезжаю встречайте» будут зарегистрированы чаще, чем, скажем, слово «поздравляю»?и да и нет. Во всяком случае, это зависит от даты, географического положения отделения связи и многих других факторов.При кодировании телеграфных сообщений, вообще говоря, учитывается относительная частота появления смысловых единиц. Примером могут служить бланки поздравительных телеграмм. Пользуясь таким бланком, фактически можно передавать по телеграфу лишь адрес и имя получателя, а также имя или имена отправителей. Сам текст уже заранее отпечатан на бланке, и передается лишь индекс бланка. Но количество поздравительных телеграмм по сравнению с общим их количеством относительно мало. Кроме того, количество поздравительных телеграмм, посылаемых в единицу времени, или их относительная частота, меняется от случая к случаю. Например, в предпраздничные дни она резко возрастает.Иное дело язык. Частота, с которой встречаются отдельные буквы в каждом языке, есть величина постоянная, представляющая собой характеристику данного языка и не зависящая от времени и других факторов. Вот и получается, что мера Шеннона — это характеристика языка, а не выражаемой средствами этого языка информации. Мера Шеннона показывает, какое среднее количество посылок должно быть затрачено для кодирования одной буквы, чтобы количество букв, передаваемым в единицу времени, оказалось максимальным. Само по себе это правильно, но из букв может быть составлено слово, не несущее информации.Задавая вопрос: является ли применительно к системам связи мера Шеннона мерой количества информации? — мы вынуждены ответить на него отрицательно. Повторяем: информация — это не сами символы (буквы), а то, что выражается средствами этих символов. Можно отметить здесь, что как раз только что рассмотренное свойство шенноновской меры и послужило основанием к тому, что, кроме такой меры количества информаций, стали предлагать другие меры для смысловой, или семантической, информации.
МОРЗЕ И ДЕЛЬФИНЫ
Интересно, что американский инженер и изобретатель С. Морзе, создавая свою азбуку задолго до появления теории Шеннона, исходил из тех же самых соображений. Известно, что азбука Морзе использует для кодирования символов алфавита два вида электрических посылок: короткую (точка) и длинную (тире). Каждая буква кодируется комбинацией из нескольких таких посылок. Так вот, для кодирования наиболее часто встречающихся символов, исходя из изложенных только что соображений, С. Морзе использовал самые короткие посылки. Например, буква «е», чаще всего встречающаяся в английском языке, кодируется одной-единетвенной точкой, в то время как для кодирования буквы «z» используются четыре посылки.В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся многочисленные исследования поведения дельфинов и других китообразных. Одна из распространенных гипотез, находящая все больше экспериментальных подтверждений, состоит в том, что дельфины обладают сложными средствами общения друг с другом. Язык дельфинов представляет собой свисты, меняющиеся по высоте тона. Согласно наиболее распространенной гипотезе отдельные сообщения могут представлять собой комбинации различных свистов.В результате длительных исследований языка дельфинов были выявлены отдельные характерные свисты и составлена таблица, где эти свисты расположены в порядке убывания частоты их появления в составе более сложных комбинаций. Мы не можем не удержаться, чтобы не привести здесь эту таблицу (рисунок на странице 178). При рассмотрении таблицы видно, что существует явно выраженная закономерность: чем чаще встречается свист, тем он проще, — совсем как в азбуке Морзе.И последний вопрос, касающийся систем связи, или, точнее, систем общения. Теория Шеннона показывает, что наибольшая эффективность любого канала связи может быть достигнута в том случае, когда все символы и вообще все единицы сообщений оказываются равновероятными. Почему же в таком случае эволюция, создавая языки общения, пошла не по самому эффективному пути? Ответ очень прост. Во внимание принимались соображения надежности.При непосредственном общении людей между собой так же, как и при передаче по каналам связи, сообщения искажаются шумами. Эти шумы могут иметь как внешнее происхождение, так и внутреннее (человек отвлекся и не воспринял какой-то фрагмент сообщения). Мы уже говорили, что средство повышения надежности информации — что-то повторить. Типичный пример — телеграмма: «выезжаем двадцатого, встречайте». Слово «встречайте» здесь, вообще говоря, лишнее. Получатель и сам знает, что ему делать. Однако слово «встречайте» страхует от возможной ошибки. Например, если будет получена телеграмма «въезжаем двадцатого, встречайте», то слово «встречайте» поможет понять, что в первом слове телеграммы допущена ошибка.Для возможности повторения нужны резервы. Таким резервом, в частности, является различная частота не только отдельных букв, но и их сочетаний. Именно благодаря этому мы, как правило, можем восстановить либо отдельное слово, либо целую фразу даже в таком случае, когда отдельные фрагменты оказались потерянными. Причем, что интересно, чем чаще встречается отдельная буква или сочетание букв, тем проще они восстанавливаются. Например, мы пишем «мосты», а произносим «маеты», и это никогда не вызывает никаких трудностей. Подобные характеристики языка используются, в частности, при дешифровке как сообщений на неизвестных языках, так и сообщений, специально зашифрованных в целях обеспечения секретности.
СМОТРИМ НА ЛУНУ
Еще одно мощное средство получения информации — радиолокация. Принцип действия радиолокатора очень прост. С помощью специальных антенн создается по возможности параллельный пучок радиоволн. Этот пучок точно так же, как и световой луч, распространяется по прямой до тех пор, пока не встречается с каким-либо препятствием. Препятствие частично поглощает радиоволны, а частично рассеивает их, то есть отражает в разные стороны. Та часть пучка, которая оказалась отраженной точно под углом 180 градусов, возвращается к месту передачи и может быть зарегистрирована радиоприемником. Таким образом регистрируется направление на цель, а по времени распространения сигнала до цели и обратно может быть определено и расстояние.На этом пути, однако, встречается одна очень серьезная трудность. С помощью существующих антенных систем не удается получить в точности параллельный пучок радиоволн — радиолуч. Хорошо, если угол расхождения луча не превышает одного градуса. А это означает, что на расстоянии, скажем, 100 километров радиолуч будет покрывать площадь примерно три квадратных километра. Если поперечное сечение цели имеет площадь порядка квадратных метров, то лишь одна миллионная часть энергии, заключенной в радиолуче,достигнет цели.Но это еще не все. Как уже говорилось, часть энергии поглотится целью, большая часть будет рассеяна в разные стороны. Наконец, энергия радиоволн поглощается атмосферой. В результате радиоприемника достигнет столь ничтожная доля переданной энергии, что приводить соответствующую цифру здесь даже не имеет смысла. Например, в опытах по радиолокации Луны (такие опыты проводятся сейчас довольно часто и имеют большое значение для целого ряда наук и прежде всего, конечно, астрономии) мощность сигнала, достигавшего приемной антенны, имела порядок 10-15 ватта. К этому надо добавить, что увеличение скоростей современных самолетов, а также появление ракет делает целесообразным обнаружение их лишь на весьма больших расстояниях.Из всего сказанного следует, что единственный способ обеспечить надежную работу радиолокационных систем состоит в том, чтобы увеличивать мощность передаваемых сигналов. Причем поскольку ослабление принимаемого сигнала по сравнению с переданным составляет миллионы миллионов раз, то и мощность передаваемых сигналов должна измеряться десятками и сотнями мегаватт. Создание передатчиков, непрерывно излучающих подобные мощности, представляет собой чрезвычайно сложную техническую задачу, не говоря уже о связанных с этим затратах энергии. И вот тут на помощь приходит одно очень простое соображение. Ведь для того, чтобы обнаружить самолет, находящийся в воздухе, совсем необязательно «освещать» его радиолучом непрерывно. Достаточно послать одну короткую «вспышку» радиоизлучения. Следующая такая вспышка понадобится лишь тогда, когда самолет существенно изменит свое положение.Пусть современный сверхзвуковой истребитель летит со скоростью 2000 километров в час. Чтобы сместиться на расстояние, равное собственной длине, то есть примерно на 20 метров, ему понадобится 0,036 секунды. Следовательно, чтобы постоянно знать о местоположении самолета с ошибкой, не превышающей 20 метров, достаточно посылать вспышки радиоизлучения не чаще, чем примерно двадцать восемь раз в секунду. В современных радиолокационных системах отдельные вспышки, или, как их принято называть, радиоимпульсы, обычно посылаются с частотой 50 раз в секунду. Что же касается длительности самой вспышки, то, очевидно, чем она короче, тем лучше. Поэтому длительность вспышек ограничивается лишь возможностями самих радиосистем. Относительно просто получить радиоимпульс, скажем, в одну десятимиллионную долю секунды. Вот и получается, что если мощность в радиоимпульсе будет иметь порядок 100 мегаватт, то средняя мощность за достаточно большой промежуток времени без учета КПД будет составлять всего 500 ватт.
ЭНЕРГИЯ САМОГО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
Нобелевская премия по физике за 1964 год была присуждена советским ученым Н. Басову и А. Прохорову совместно с американским физиком Ч. Таунсом за открытие физических явлений, положенных в основу, создания технических устройств — лазеров. Авторы популярных статей и книг очень любят, говоря о лазерах, вспоминать роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». В то же время между принципом действия лазера и гиперболоида инженера Гарина существует весьма отдаленная аналогия, касающаяся лишь конечного результата их работы. И с помощью лазера и с помощью гиперболоида можно получить световой луч с чрезвычайно малым, практически нулевым углом рас хождения. Но вот способы получения такого луча существенно различны.В гиперболоиде параллельный луч получался за счет отражения от поверхности специальной формы. Читатель, внимательно разобравшийся в четвертой главе книги А. Толстого, легко поймет, что построить подобный прибор принципиально невозможно. Атомы любого вещества находятся в непрерывном движении. Они колеблются относительно своих положений равновесия. Поэтому принципиально не может быть двух фотонов, отражающихся от сколь угодно гладкой поверхности под в точности одинаковыми углами. Все это говорится отнюдь не затем, чтобы преуменьшить заслугу А. Толстого, который проявил гениальное предвидение (опять предвидение!) и намного опередил свое время. Просто важно оттенить принцип действия лазера.Так как же действует лазер? Мы уже говорили, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, рано или поздно возвращается в основное состояние и испускает при этом квант электромагнитного излучения. Переход в основное состояние может совершиться и сам по себе. Но известно также явление вынужденного излучения. Если поблизости от возбужденного атома пролетает фотон, характеризуемый данной энергией и, следовательно, данной частотой, и при этом разность энергий между возбужденным и основным состояниями атомов в точности равна энергии фотона, происходит то, что называется вынужденным излучением. Атом излучает фотон, имеющий в точности то же самое направление движения, ту же частоту и ту же фазу, что и пролетающий мимо него, то есть исходный фотон, вызвавший вынужденное излучение. Два фотона, исходный и испущенный, представляют собой две когерентных волны. Амплитуды этих волн складываются.Два образовавшихся таким образом фотона вызывают переход еще двух возбужденных атомов — фотонов становится четыре. После перехода еще четырех возбужденных атомов фотонов становится восемь, и так далее. Чем большее расстояние проходят фотоны в веществе, содержащем возбужденные атомы, тем больше эффективность результирующего светового луча.Таким образом, лазер представляет собой не что иное, как некоторое количество вещества (твердого или газообразного), содержащего большое количество возбужденных атомов. В отличие от широко распространенного мнения основная функция лазера — это функция усиления (а не создания, то есть генерирования) световых колебаний. Само слово «лазер» состоит из начальных букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Поступает один фотон, а вылетает много.Чтобы удлинить путь, который проходит свет в веществе лазера, вещество (его обычно называют активным) помещают между двумя строго параллельными зеркалами. Свет испытывает многократное отражение и только после этого через небольшое отверстие в одном из зеркал выходит наружу. И, повторим здесь еще раз, фотоны излучаются в том же направлении, что и первоначальный. Поэтому сам собой получается идеально параллельный световой луч.Все это общеизвестно и описывалось сотни раз, в том числе и в популярных изданиях. Но мы даем здесь столь подробное описание, чтобы читатель мог самостоятельно подметить аналогию с тем, что говорилось в главе 4 (страница 126). Из всего только что сказанного следует, что лазер вырабатывает когерентное излучение, а когерентность, как мы это обнаружили в свое время, есть основное условие информативности.Если первоначальный фотон не поступает извне, рано или поздно один из атомов самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное с излучением фотона. Правда, годится не всякий фотон, а лишь такой, направление движения которого строго перпендикулярно поверхности зеркал. Но и такой фотон рано или поздно будет получен, причем, если учесть астрономически большое число атомов даже в малых количествах вещества, долго ждать этого события не приходится. Поэтому, кроме функции усиления, лазер может выполнять также функцию создания, генерирования световых колебаний.Но на этом не исчерпываются функции лазера. Вспомним, что все фотоны, как первоначальный, так и полученные в результате вынужденного излучения, по определению, имеют строго одинаковую частоту. Поэтому лазер представляет собой источник строго одноцветного (монохроматического) света. Этим обусловливается ряд его применений, в частности применение в голографии, позволяющее создавать истинно объемное изображение предмета.И это еще не все. Если прекратить действие источника, вызывающего возбуждение атома (такое первоначальное возбуждение называют накачкой), то при многократных прохождениях светового луча все атомы очень быстро перейдут в основное состояние и излучение прекратится. Таким образом, лазер может работать в режиме импульсного излучателя. Причем здесь происходит то же самое, что и в случае радиолокатора. Можно в течение относительно долгого времени производить накачку от источника малой мощности. Когда энергии накопится достаточно (большое число атомов перейдет в возбужденное состояние), она быстро израсходуется на образование мощного светового импульса.Различные возможности применения лазеров неисчислимы. От инструмента, позволяющего хирургу совершать тончайшие операции на роговице глаза и на нервных волокнах, и кончая одним из самых грозных среди различных видов современного оружия. Нас же интересует следующее. Лазеры, а также родственные им технические устройства — мазеры, представляют собой в чистом виде информационные приборы. Каждый возбужденный атом узнает о направлении, частоте и фазе пролетающего мимо фотона и излучает фотон с точно таким же направлением, частотой и фазой. Энергия, вырабатываемая лазером, обладает самым высоким качеством среди всех известных на сегодня видов энергии.
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?
ПОЛЕЗНЫЕ ПРИМЕСИ
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.
ВОТ ОНА КАКАЯ —БИС!
Теперь нарисованная нами картина достаточно полна. Сделайте усилие, читатель, и представьте себе кристаллик, скажем, германия или кремния (это наиболее часто используемые материалы) размерами, скажем, 5x5x0,1 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.
ОПТРОНИКА
Казалось бы, о чем еще мечтать? Но конструкторская мысль не знает пределов. Если упомянутая первичная ЭВМ была способна выполнять около тысячи отдельных операций в секунду, то сейчас мы подходим к быстродействию, измеряемому сотнями миллионов операций в секунду. И все же этого недостаточно. Поэтому проводятся опыты с оптическими интегральными схемами. Суть здесь состоит в том, что различные примеси влияют не только на электропроводность, но и на прозрачность полупроводниковых материалов. Прозрачность опять-таки может зависеть не только от наличия примеси, но и от различных условий, в которых находятся области с примесями.Оптическая интегральная схема — это снова кристалл полупроводника, в котором по различным путям между компонентами проходят не электрические токи, а световые лучи. В результате быстродействие оказывается выше еще примерно на порядок. Правда, само понятие «световой луч» здесь уже оказывается условным. Например, в так называемых голографических устройствах переработки информации состояния отдельных областей, которыми в данном случае являются группки из нескольких молекул — домены, определяются их намагниченностью. Намагничиваются или перемагничиваются домены с помощью светового луча. А почему нет? Ведь свет — это электромагнитные колебания, имеющие как электрическую, так и магнитную компоненту. Эта магнитная компонента вполне способна намагнитить отдельные области достаточно малых размеров. А размеры настолько малы, что появился даже специальный термин «молектроника».Так, может быть, мы достигли пределов возможного? Нет, отнюдь. Спросите любого специалиста по электронике, и он скажет вам, что, по его мнению, мы находимся лишь в самом начале пути. Оно и на самом деле так. Несмотря на всю фантастичность только что нарисованной картины, пока еще в области переработки информации мы не достигли в целом (хотя и превзошли, как говорят, по отдельным показателям) даже тех параметров, которых достигла природа в процессе эволюции. Но эволюция слепа — она действует методом проб и ошибок. Поэтому есть все основания ожидать, что целенаправленный инженерный поиск в конце концов превзойдет природу.