Глава 442 - Обоснование концепции литографической машины
Открытие эффекта усиления в полупроводниках лишь слегка приоткрыло дверь в микроэлектронику. Чтобы превратить капризные лабораторные кристаллы в надёжные узлы настоящих машин, требовались жёсткие инженерные испытания.
Следующие полгода совместная группа из лучших умов Института вычислительной техники и Палаты материаловедения работала без отдыха. Из-за отсутствия конвейеров все элементы собирались вручную. Учёные в респираторах, орудуя пинцетами и тончайшими нитями проволоки, спаяли тысячи германиевых и кремниевых транзисторов, закатав их в прочный карболитовый пластик.
Инженерия не верит в чудеса — она признаёт только статистику стабильности в экстремальных условиях.
Испытатели подвергли компоненты суровым экзекуциям. Детали запекали в промышленных печах при ста пятидесяти градусах, под током швыряли в ледяную воду, проверяя механические напряжения, и даже болтами крепили к корпусам работающих на пределе дизелей, имитируя вибрации при старте ракеты.
Страница за страницей пухли журналы испытаний.
К концу зимы 3277 года Эры Божественных Откровений совместная комиссия собрала итоговое совещание.
— Проведя около десяти тысяч часов перекрёстных тестов, мы пришли к однозначному выводу: необходимо полностью отказаться от германия, несмотря на простоту его очистки, и сосредоточиться на кремнии, — докладывал старший инженер у доски. — Германиевые транзисторы хороши при комнатной температуре. Но стоит нагреть их выше восьмидесяти градусов, как свободные электроны внутри выходят из-под контроля. Начинается тепловой пробой, и логические цепи коротит.
Инженер указал на резко падающий график:
— Для головных обтекателей ракет, где аэродинамический нагрев идёт на тысячи градусов, германий смертелен. Кремний же, хоть и требует зоны перекристаллизации при двух тысячах градусов и сложной технологии, демонстрирует невероятную стойкость к теплу и радиации.
Он перевернул страницу:
— После пяти тысяч часов непрерывного прогона выборка из тысячи кремниевых транзисторов показала стопроцентную точность логических переключений. Никакой утечки вакуума, никаких перегоревших нитей. А главное — объём элемента составляет один процент от лампового аналога, а энергопотребление — меньше одной тысячной!
Зал, где сидели седые мэтры науки, облегчённо вздохнул. С такими строгими данными на руках проект под названием «План разработки нового поколения вычислительных машин на основе кремниевых полупроводников» немедленно лёг на стол Кабинета министров и самого правителя Ся.
С учётом жажды Управления аэронавтики, которое мечтало засунуть вычислитель в искусственный спутник, проект утвердили без проволочек. Выделение средств и спецматериалов подписали в тот же день. Первая программа транзисторных ЭВМ Великого Ся получила статус государственного проекта высшей категории.
***
Однако восхождение к вершинам науки никогда не бывает простым. Разрушив одну стену, исследователи часто обнаруживают за ней ещё более высокую гору.
Едва инженеры приготовились выбросить лампёшки и спроектировать супервычислитель на сотнях тысяч транзисторов, как на чертёжном совете молодой исследователь опустил всех с небес на землю.
Он просто повесил на доску гигантскую схему, испещрённую сплошной паутиной пересекающихся линий.
— Коллеги, директор, — произнёс он без тени радости. — Транзистор мал и экономичен, это прекрасный базовый элемент. Но если мы хотим использовать в новой машине сто тысяч, а то и полмиллиона транзисторов для расчёта орбитальных задач многих тел… Как мы их соединим?
В зале воцарилась тишина.
— У каждого транзистора три вывода. Сто тысяч транзисторов — это триста тысяч точек пайки. И это без учёта десятков тысяч резисторов и конденсаторов.
Исследователь поднял тонкую медную жилу:
— Это значит, что внутри шкафов нам придётся протянуть сотни километров изолированного провода. Рабочие должны вручную спаять всё это в единую сеть, словно вывязывая гигантскую верёвочную сеть. Мало того что внутренности машины превратятся в непроходимые джунгли, делая ремонт невозможным… Главная беда — в физическом пределе.
Он набросал на доске формулу вероятностей:
— Даже если мы отберём самых искусных монтажниц и снизим процент брака пайки до фантастической одной стотысячной… В системе из миллиона пайек машина всё равно будет регулярно наглухо вставать из-за одной-единственной микротрещины или холодного спая! А при передаче сигналов по метровым проводам паразитные наводки и задержки просто разрушат тактовую частоту.
Он отложил мел:
— Мы решили проблему хрупкости ламп, но упёрлись в инженерный ад проводных соединений.
Слова подействовали как холодный душ. Когда элементы уменьшаются, а их количество растёт экспоненциально, именно соединения становятся главным слабым звеном всей системы.
Шэнь Пин сидел во главе стола, сдвинув брови. Он смотрел на чертёж с чёрными квадратиками транзисторов и запутанной паутиной линий.
Зал молчал, слышался лишь монотонный стук настенных часов.
— Если провода — это обуза, а пайка — источник аварий… — Шэнь Пин медленно поднял голову, и в его глазах блеснула острая мысль. — Если суть транзистора — это просто сформированные в чистом кремнии $p$-$n$-переходы…
Он поднялся, подошёл к доске и быстрым движением обвёл всю эту паутину единой жирной рамкой.
— Зачем мы делаем глупость?!
Он повернулся к коллегам, озвучивая безумную для того времени идею:
— Мы с огромным трудом очищаем кремниевый слиток, режем его на мелкие кусочки размером с горошину, упаковываем, а потом снова соединяем громоздкой медью и припоем! Не пора ли сменить подход? Что если мы вырастим всю сложную вычислительную схему прямо на единой, плоской кремниевой пластине?!
Шэнь Пин постучал мелом по нарисованной рамке:
— С помощью химического травления и масочного светового экспонирования — ровно так, как проявляют фотографии — мы запечатлеем на пластине размером с монету сразу сотни и тысячи транзисторных зон! И проводники сделаем прямо там же! Нанесём тончайшую металлическую плёнку методом напыления, которая соединит элементы на микроскопическом уровне! Всё станет монолитным целым без единой внешней пайки! Мы назовём это интегральной схемой .
Зал продолжал хранить молчание, но теперь это была тишина напряжённой работы умов. Математики, материаловеды и инженеры просчитывали идею.
Создать на крошечной пластинке микроскопический город из тысяч элементов без единой пылинки и ошибки — это выходило за рамки привычной механики. Потребуются оптика высокого разрешения, особые фоторезисты, плазменное травление — дисциплины высочайшего уровня.
Эта задача была в сотни раз сложнее создания отдельного транзистора. Но ни один человек в комнате не засмеялся. Учёные Великого Ся знали: законы физики этого не запрещают.
Значит, это и есть прямой путь Великого Ся к абсолютной вычислительной мощности.
— Что ж… — перебил тишину старый инженер, открывая чистый лист блокнота.
Он вывел заголовок: «Обоснование концепции литографической машины» .
Затем поднял взгляд на Шэнь Пина:
— Директор, похоже, нам снова придётся потревожить наших старых друзей из оптической лаборатории и Палаты химии при Академии.