Фантастическая электроника

Фантастическая электроника

Рожденная физикой твердого тела современная технология полупроводниковых интегральных схем позволяет разместить в миниатюрном кристалле десятки тысяч деталей вычислительной машины.

Есть немало творений техники, которым выпала счастливая судьба непосредственно служить миллионам людей. Почти всегда они входят в нашу жизнь робко, но потом становятся не просто привычными — становятся необходимыми, и уже непонятно, как это раньше можно было обходиться без них.

Прыгающие кадры старинной кинохроники напоминают о первых самолетах — неуклюжих этажерках из ткани и дерева. В начале века полет на аэроплане был героическим событием, собирал огромные толпы зрителей. Сейчас только Аэрофлот перевозит 100 млн. пассажиров ежегодно, и многие люди просто не представляют себе, как они будут добираться из Москвы в Хабаровск или даже в Сочи поездом. Другой пример — телевидение. Вспоминается, как лет тридцать назад в витринах магазинов стояли первые наши телевизоры и их цена была ниже себестоимости — нужно было помочь покупателям сделать трудный шаг в неизвестное. Но вскоре уже приходилось месяцами ждать очереди, чтобы купить телевизор, а сейчас в стране десятки миллионов телевизоров, они есть практически в каждой семье.

Сегодня в списке техники для миллионов — «…телефон, автомобили, часы, радио, книгопечатание, фотоаппараты и кинокамеры, электрическое освещение…» — появилась еще одна строка— «…электронная вычислительная техника…». Нет, нет, это не большие ЭВМ для научных исследований и управления производством, а малые, карманные вычислительные устройства, те, что принято называть микрокалькуляторами. Для первого знакомства с ними мы отправляемся в магазин № 61 Москультторга (Москва, Пушкинская ул., дом 23/8), где в широкой продаже модели отечественных микрокалькуляторов.

На правах покупателей заглядываем в инструкции по пользованию этими миниатюрными компьютерами, где, как обычно, суховато, однако же достаточно подробно рассказывается о самих моделях, их возможностях и некоторых технических характеристиках, приводятся многочисленные примеры решения тех или иных видов вычислительных задач. Микрокалькулятор «Электроника БЗ-18» и относится к так называемым инженерным вычислительным устройствам. Машина выполняет четыре действия арифметики над восьмиразрядными числами, т. е. на ее цифровом табло может появляться восьмиразрядный результат — число до 100 млн. (точнее, до 99 999 999). Операции с десятичными дробями ведутся с так называемой плавающей запятой: при вводе десятичной дроби вы ставите в нужном месте запятую, а затем калькулятор уже сам следит за ее положением и после каждого очередного вычисления располагает запятую в нужном месте.

Сам ввод информации в калькулятор предельно прост. На передней панели имеются небольшие кнопки с цифрами от 0 до 9 и знаками арифметических действий. Последовательно нажимая на них, вы даете указание, с какими числами какое действие нужно произвести, и затем, нажав кнопку со знаком <=>, практически мгновенно получаете результат.

Но этот калькулятор перешел Рубикон арифметики, его математическое образование шагнуло в тригонометрию и алгебру. «Электроника БЗ-18» умеет мгновенно возводить в квадрат и извлекать квадратный корень, в два приема возводить в любую степень в пределах восьми разрядов, вычислять обратные величины, вычислять логарифмы и антилогарифмы (десятичные и натуральные), тригонометрические функции. Все это не обращение к памяти, не воспроизведение справочных данных. Так, скажем, для вычисления синуса калькулятор сам по своей внутренней программе производит десятки арифметических операций, пользуясь известным разложением в ряд Тейлора.

Косвенный показатель того, что некоторые задачи, решаемые инженерным калькулятором, довольно сложны, — это время, которое он затрачивает на вычисления. Так, на сложение или вычитание двух восьмиразрядных чисел уходит около 50 мс (0,05 с), а на их умножение или деление затрачивается уже около 300 мс, на возведение в степень с высоким показателем — 1 с, а на вычисление арктангенса — 3 с. Когда видишь, как машина, которая только что мгновенно складывала огромные числа, тратит несколько секунд, чтобы выполнить какую-либо алгебраическую или тригонометрическую операцию, невольно задумываешься о той большой работе, которая идет внутри маленькой коробочки, прежде чем на ее индикаторе засветится результат.

Но об этом чуть позже. А пока отметим, что на индикаторе «Электроники БЗ-18» светятся яркие зеленоватые цифры. Этот индикатор — некоторое подобие телевизионной трубки, изображение на нем создают электроны, бомбардирующие люминесцентный экран. При продолжительной работе с микрокалькулятором пользуются небольшим, размером со спичечную коробку, внешним выпрямителем, который, кстати, подзаряжает внутренние аккумуляторы.

В памяти калькулятора помещается число ?, и достаточно нажатия одной кнопки, чтобы ввести это число в какое-либо вычисление, скажем, умножить на я или разделить. В памяти хранятся и два других восьмиразрядных числа, причем одно из них можно хранить как угодно долго, извлекая его в нужный момент.

Инженерные микрокалькуляторы прошли отличную школу математического сервиса, они используют любую возможность, чтобы предоставить своему владельцу дополнительные удобства.

Так, в «Электронике БЗ-18» при вычислении тригонометрических функций можно задавать угол в градусах или в радианах, как удобнее, — для перехода от одной угловой меры к другой нужно лишь передвинуть небольшой переключатель; при извлечении какого-либо числа из памяти там остается копия этого числа на случай, если оно понадобится еще раз; в случае надобности можно мгновенно извлечь из памяти так называемый предыдущий оперант, например результат предыдущего вычисления, а затем вернуть его на место; выполняя серию операций с постоянным коэффициентом, совсем не нужно каждый раз вводить его значение, повторение этого коэффициента может происходить автоматически; в случае, если калькулятор не может произвести действие над введенными числами, на индикаторе зажигается особый предупреждающий сигнал «переполнение»; калькулятор может суммировать результат нескольких вычислений, производить накопление произведений и частных; может по довольно простой процедуре вычислять средние значения нескольких величин, дисперсию, среднеквадратичное отклонение и погрешность среднеквадратичного отклонения; умеет находить гиперболические функции, вычислять сложные проценты, преобразовывать прямоугольные координаты в полярные…

Математические способности инженерного микрокалькулятора в какой-то мере отражают удивительные достижения современной большой вычислительной техники. Пока на страницах некоторых изданий шли утомительные дискуссии о том, может ли машина мыслить, инженеры и математики работали, создавали конкретные электронные системы, умеющие решать сложные логические и математические задачи. Торжественным словом «мыслить» нельзя, конечно, разбрасываться направо и налево, но та работа, которую уже сегодня научились делать ЭВМ, бесспорно, раньше была монополией Человека Думающего.

Все, что делает ЭВМ, она делает, оперируя электрическими сигналами, оперируя сложными комбинациями импульсов тока, которые напоминают телеграфные точки и тире. В виде комбинаций электрических импульсов живут в машине цифры, команды, правила работы. Комбинации электрических импульсов рождаются, когда вы нажимаете кнопки ввода данных; комбинации электрических импульсов управляют работой индикатора вывода данных, зажигая на нем зеленые палочки-сегменты, из которых составляются нужные цифры. А между этими двумя событиями — вводом и выводом — стоят электронные схемы, которые производят с электрическими сигналами разные операции: складывают их и разделяют, пересылают из одного электронного блока в другой, сопоставляют с сигналами, записанными в память. И в этих действиях рождаются новые электрические сигналы, рождаются результаты вычислений, подобно тому как они появляются при перебрасывании косточек на счетах. Хотя, конечно, электронные вычислительные машины, даже самые простые, настолько сложны и совершенны, что их сравнение со счетами требует не просто оговорок, но и извинений.

Детальное знакомство с устройством отдельных узлов схемы «Электроники БЗ-18» — дело сложное и здесь вряд ли уместное. Можно лишь попытаться несколькими штрихами обрисовать упрощенную блок-схему калькулятора (рис. 1, 2 на цветной вклейке, примыкающей к с. 112), с тем чтобы получить самое общее представление о назначении его узлов и их взаимодействии.

Каждая цифра восьмиразрядного числа и каждый символ команды представлены в калькуляторе комбинацией из четырех электрических импульсов или пауз. Скажем, комбинация «импульс — пауза — импульс — пауза» соответствует девятке, а комбинация «пауза — пауза — импульс — импульс» — тройке. Генератор опорной частоты ГОЧ дает непрерывную очередь импульсов, некоторые из них затем гасятся, и таким образом формируются нужные комбинации из импульсов и пауз. Формируются они прежде всего при нажатии тех или иных кнопок ввода — блок управления вводом-выводом УВВ регулярно опрашивает кнопки, следит за тем, какая из них нажата.

Все введенные числа прежде всего попадают в оперативную память, в ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. В нем тоже электронные схемы, их элементы могут находиться в одном из двух состояний — пропускать ток или не пропускать; это как раз и соответствует двум знакам машинного языка — импульсу и паузе. Из ОЗУ числа поступают на индикатор — так осуществляется контроль за правильностью ввода. Указание о нужной операции, которое также вводится нажатием кнопки, в итоге попадает в постоянную память — постоянное запоминающее устройство ПЗУ, где определенными электрическими соединениями навеки записано, что нужно делать для выполнения той или иной операции. Это «что делать» из ПЗУ в виде длинной серии сигналов, длинной телеграммы, поступает в управляющее устройство УУ, где формируется руководящее указание «как делать». Например, такое: «Прочитать в первом секторе ОЗУ число; саму запись числа стереть; прибавить к нему число, записанное во втором секторе ОЗУ, саму запись числа оставить; результат сложения записать в освободившийся сектор ОЗУ; результат передать также на индикатор…» Такая телеграмма попадает в арифметико-логическое устройство АЛУ, где уже и реализуется «Указание руководства» — производятся необходимые операции с электрическими сигналами, т. е. необходимые вычисления.

Наше ультракороткое описание блок-схемы калькулятора не должно создавать иллюзию ее простоты. Вот несколько цифр, которые в какой-то степени отражают сложность событий, происходящих в схеме: программы, записанные в ПЗУ, состоят из 1152 «слов» по 8 «букв», а каждая «буква» кодируется комбинацией из четырех импульсов-пауз; блок УУ может разослать другим блокам до 105 разных команд; при выполнении даже такой простой операции, как умножение двух восьмиразрядных чисел, отдельные блоки калькулятора обмениваются «телеграммами» в общей сложности из 10 000 «слов».

А вот другие цифры: электронная схема калькулятора «Электроника БЗ-18» содержит примерно 10 тыс. транзисторов, 8 тыс. резисторов, 1 тыс. конденсаторов и 25 тыс. соединительных проводников. Для сравнения заметим, что в транзисторном приемнике около 100 элементов, в телевизоре около тысячи.

Как же разместилось такое огромное число компонентов — около 45 тыс. — в маленьком, размером с записную книжку, корпусе? Как удается упрятать в него сотни приемников или десятки телевизоров?

Ответ на эти вопросы в коротком слове «БИС» — так сокращенно называют большие интегральные схемы, это совершенно уже фантастическое творение современной электроники.

Несколько лет назад автору этих строк случайно пришлось быть свидетелем того, как два бывалых радиоинженера, из тех, которых объемным телевидением, наверное, не удивишь, впервые рассматривали большую интегральную схему и повторяли при этом одно слово: «Фантастика… Фантастика!..» Это слово, наверное, лучше всего выразит и ваши чувства, когда, заглянув внутрь микрокалькулятора «Электроника БЗ-18», вы увидите там лишь несколько деталей. И узнаете, что все остальное, все эти «около 45 000 транзисторов, резисторов, конденсаторов, проводников» разместились на тоненькой кремниевой пластинке размером 5x5,2 мм. Вдумайтесь — полсотни телевизоров в одной клеточке арифметической тетради. Фантастика!

Прежде чем говорить о БИСах, несколько слов просто об интегральных схемах и даже, пожалуй, вообще о том, что есть схема в понимании специалистов по радиоэлектронике. Схема — это мир, где живут электрические сигналы, электрическая цепь, где они рождаются и умирают, усиливаются или ослабляются, суммируются или разделяются, словом, проходят самые различные виды обработки. Делают все это элементы схемы и их комплексы: транзисторы усиливают сигнал, резисторы ослабляют или выделяют, конденсатор реагирует на скорость изменения сигнала, двухтранзисторный комплекс — триггер — делит число сигналов на два. Несмотря на чрезвычайную сложность и огромное разнообразие, многие из схем, и прежде всего схемы вычислительных устройств, собираются всего из нескольких типов элементов, скажем, из десятка типов транзисторов, двух-трех десятков типов конденсаторов и резисторов, двух-трех типов диодов. Это первая реальность, сделавшая возможным создание интегральных схем.

А вот и вторая.

Совершенно недвусмысленное, казалось бы, выражение «…изготовить электронный прибор…» с некоторого времени приобрело два совершенно разных значения. Еще недавно оно означало, что изготавливаются какие-то детали, скажем, детали электронной лампы — металлические цилиндры, спирали, сетки, трубки, стеклянный баллон, цоколь, и затем эти детали собирают, соединяют, превращают в единое целое. Но вот лет тридцать назад физика твердого тела, академическая в общем-то наука, на основе глубокого исследования физических процессов в полупроводниках предложила практике новый вид усилительного электронного прибора — транзистор, аналог трехэлектродной усилительной лампы.

Справедливость требует, чтобы, задумываясь об истории создания транзистора, мы первым вспоминали нижегородского радиоинженера Олега Лосева, который еще в 1926 г., примерно за 20 лет до появления транзисторов, построил первый полупроводниковый усилительный прибор — кристадин. Один из американских радиотехнических журналов писал о работе Олега Лосева: «…генерирующий кристалл, как его назвал Лосев, призван совершать все то, что в настоящее время совершается катодной лампочкой». К сожалению, работы О. Лосева не получили развития, физика еще не была готова к тому, чтобы понять процессы в полупроводниковом усилителе.

С точки зрения конструктора, основа транзистора — это только одна деталь — полупроводниковый кристалл. И лишь технолог знает, что в этом одном кристалле фактически есть три разные части: эмиттер, база и коллектор, или в так называемых полевых транзисторах — исток, затвор и сток. Части эти могут создаваться разными способами, которые, однако, дают один и тот же результат — в полупроводниковый кристалл вводятся примеси, и в нем появляются отдельные участки с различными электрическими свойствами. Например, появляются зоны с разной концентрацией свободных электрических зарядов — отрицательных (это зона n от слова negativus — отрицательный) и положительных (это зона р от слова positivus — положительный). Эти зоны фактически представляют собой детали полупроводникового прибора, детали, созданные в целом, в одном кристалле, без его разрушения, без разделения на части. Вот так выражение «изготовить электронный прибор» получило новое значение.

Виртуозная технология, которой постепенно вооружалась электронная промышленность, сегодня позволяет формировать в кристалле почти все виды элементов электронных схем — диоды, транзисторы, проводники, конденсаторы (две примыкающие друг к другу зоны n и р, если подать на них определенное напряжение, становятся обкладками конденсатора), резисторы (точно дозируя количество примесей и размеры той области, куда они вводятся, можно создавать резисторы с самым разным сопротивлением). Это и есть та вторая реальность, на основе которой выросла интегральная электроника.

Теперь о тех причинах, которые заставили переходить к интегральным схемам, вдохновили науку и промышленность на решение этой чрезвычайно сложной задачи. Причин немало, но большинство из них связано с тем, что в радиоэлектронике часто называют «тиранией количеств». В двадцатые годы, когда детекторный приемник считался шедевром радиотехники, наиболее сложные электронные схемы состояли из десятков, максимум сотен элементов. Но постепенно радиоэлектронная аппаратура усложнялась и число элементов в одном аппарате резко увеличивалось— в среднем в 10 раз каждые 10 лет. Особенно быстро стало расти число элементов с появлением вычислительных машин, и сегодня схемы больших ЭВМ содержат многие миллионы элементов.

Увеличение числа элементов, если они представлены в электронном приборе отдельными деталями, влечет за собой немало трагических последствий. Из-за ненадежности межэлементных соединений резко падает надежность всего прибора. Растет масса, оказывается, например, что грузоподъемности самолета просто может не хватить, чтобы поднять все необходимое ему современное электронное оборудование, собранное из дискретных элементов — электронных ламп, резисторов, конденсаторов. Растут размеры и потребляемая мощность, страшно усложняется конструкция аппаратуры. Одним словом, если, опустив подробности, посмотреть на конечный результат, то окажется, что «тирания количеств» — это непреодолимое препятствие на пути прогресса радиоэлектроники, а вместе с ней и на пути прогресса многих областей современной техники.

Преодолеть это препятствие или по крайней мере заметно его отодвинуть позволили интегральные схемы.

Интегральная схема, как говорит само название, — это нечто обобщенное, просуммированное. А конкретно — это многоэлементный электронный блок, выполненный в виде единого целого. В частности, в виде полупроводникового кристалла, где последовательными технологическими операциями созданы и соединены друг с другом различные элементы схемы.

На рисунке 3 цветной вклейки очень упрощенно показана часть такой схемы. В нее входят транзистор Т2, два резистора R1 и R2, конденсатор С и несколько соединительных линий.

Некоторые этапы изготовления интегральной схемы иллюстрируются упрощенным рисунком 4, 1—15. После разработки самой электрической схемы (рис. 4, 1) следует создание топологии (рис. 4, 2), т. е. определение всех конфигураций и взаимного расположения тех зон кристалла, из которых будут образованы детали интегральной схемы, а также конфигурации соединительных цепей. Работа эта весьма сложна, и ведется она с помощью ЭВМ. Без ЭВМ не обходится и следующий этап — создание фотошаблонов (рис. 4, 3), с помощью которых разработанная топология воплощается в кристалле методами фотолитографии. Фотошаблон создается сразу на большое число одинаковых интегральных схем (рис. 4, 4), т. е. его делают многоэлементным. А затем на одном кристалле с помощью таких многоэлементных фотошаблонов создается большое число одинаковых «рисунков» — одинаковых интегральных схем. В заключение кристалл разрезают (рис. 4, 15) и каждую отдельную интегральную схему тщательно проверяют.

Образование отдельных деталей интегральной схемы в общих чертах осуществляется так. На кристалл наносят светочувствительный слой, так называемый фоторезист (рис. 4, 5), затем его засвечивают через фотошаблон (рис. 4, 6), проявляют, удаляют засвеченные участки (рис. 4, 7) и в образовавшиеся окна либо вводят примеси (рис. 4, 9), либо убирают в глубине этих окон какой-нибудь ненужный слой и в нем тоже вскрывают окна (рис. 4, 8), либо, наконец, убирают участки алюминиевого покрытия, формируя таким образом соединительные цепи сложной конфигурации (рис. 4, 11, 12).

Вот и опять слишком короткое описание создает, по-видимому, иллюзию этакой простоты или, может быть, даже примитивности технологического процесса. Но это, конечно, не более чем иллюзия. В подтверждение — несколько цифр и фактов.

Если в первых интегральных схемах в одном кристалле создавали всего несколько элементов, то теперь степень интеграции резко возросла, создаются схемы, которые содержат тысячи и десятки тысяч элементов. Это и есть БИСы — большие интегральные схемы: в них на 1 мм² поверхности (это поверхность булавочной головки) может приходиться более тысячи элементов. Размеры отдельного элемента при этом измеряются тысячными долями миллиметра, их, естественно, можно было бы увидеть только в хороший микроскоп.

Допустимые погрешности при создании определенных зон в кристалле — это вообще ангстремы, единицы измерения, до недавнего времени почти не применявшиеся в технике. А количество вводимых примесей в этих процессах дозируется с точностью до миллиардных долей процента; здесь уже счет идет на атомы. С точностью до сотых долей процента поддерживаются тепловые режимы. Малейшая ошибка здесь чревата серьезными последствиями, потому что интегральные схемы не делают по одной, на кремниевой пластине их может разместиться несколько десятков.

По окончании технологического цикла для каждой схемы производят сотни контрольных замеров. Приведем еще одну цифру: на производственных участках фотолитографии допускается содержание в 1 м³ воздуха не более чем 3–4 пылинок диаметром до 0,5 мкм.

Достоинства интегральных схем не требуют, по-видимому, пояснений: это высокая надежность, малые габариты и масса, малая потребляемая мощность. И еще одно парадоксальное на первый взгляд достоинство интегральных схем: эти уникальные по своей сложности, по сути, невидимые изделия как бы специально созданы для автоматизированного производства.

В нашей стране серийно выпускается широкий ассортимент интегральных схем, в том числе БИСы. Все большими тиражами выпускаются и созданные на их основе разнообразные микрокалькуляторы. Немного, наверное, пройдет времени, и миллионы этих электронных помощников инженера, исследователя, экономиста выйдут на скромную свою трудовую вахту, незаметно привнося в наши дела и планы точность, четкость, порядок, эффективность. Мы привыкнем к ним, забудем, что когда-то исписывали вычислениями листы бумаги, теряли миллионы из-за какой-то арифметической ошибки или из-за того, что прикидывали на глазок там, где надо считать точно…

Мы привыкнем к своим карманным компьютерам, как привыкли к телефону, к часам на руке, к яркому электрическому свету в квартире. Привыкнем и перестанем замечать… И это будет несправедливо. Любуясь красками на экране цветного телевизора, или за час полета покрывая тысячу километров на десятикилометровой высоте, или нажимая клавиши электронного микрокалькулятора, мы должны хотя бы изредка вспоминать, какая изумительная техника и какой большой труд стоят за всем этим. И должны мысленно гордиться: «Велик человек!»