Сари Лада – От транзистора до робота (страница 1)

Сари Лада

От транзистора до робота

Часть 1 — Из чего сделан компьютер

Ты открываешь ноутбук. Может быть, утром, ещё немного сонная. Может быть, когда все уже спят, и только экран светится в темноте. Ты нажимаешь кнопку питания, и через несколько секунд перед тобой — рабочий стол, уведомления, мессенджеры, весь твой цифровой мир.

Возможно, ты не думаешь о том, что произошло внутри. Хорошая технология именно так и работает: незаметно.

Но сегодня мы заглянем внутрь. Это одна из самых удивительных историй, которые человечество когда-либо придумало. История о том, как из простого «да» и «нет» вырос целый цифровой мир.

Начнём с вопроса, который может казаться глупым

Что умеет компьютер?

Если ты спросишь случайного человека на улице, он, скорее всего, скажет что-то вроде: «ну, он считает», «хранит файлы», «запускает программы». И всё это правда. Но если копнуть глубже — до самого дна, до последнего слоя — окажется, что компьютер умеет делать ровно одну вещь.

Он умеет различать два состояния: ток есть или тока нет. Единица или ноль. Да или нет.

Всё. Больше ничего.

Никакой магии. Никакого «понимания». Никакого разума — по крайней мере, на этом уровне. Просто миллиарды крошечных переключателей, каждый из которых в каждый момент времени находится в одном из двух состояний.

И из этой основы выросло всё: фотографии, музыка, видеозвонки, онлайн-банки, карты, игры, социальные сети, искусственный интеллект. Всё это — комбинации единиц и нулей, организованные с невероятной точностью и скоростью.

Что такое транзистор — и почему он главный герой этой истории

Переключатель, о котором мы говорим, называется транзистор. Это маленький электронный компонент, который умеет пропускать или не пропускать через себя электрический ток — в зависимости от того, подаётся ли на него управляющий сигнал.

Рис. 1.1. Транзистор как управляемый шлюз: положение затвора определяет силу тока.

Представь обычный выключатель света на стене. Ты нажимаешь — свет горит. Отпускаешь — гаснет. Транзистор работает по тому же принципу, только вместо пальца — электрический сигнал, вместо лампочки — следующий элемент схемы, и вместо долей секунды — миллиардные доли секунды.

Транзистор был изобретён в 1947 году тремя учёными из Bell Laboratories — Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году. В тот момент мало кто понимал, что именно произошло. Маленькая деталька из германия, которая работала лучше, чем предыдущие вакуумные лампы.

До транзистора компьютеры были монстрами. ENIAC, один из первых электронных компьютеров, созданный в 1945 году, занимал целую комнату площадью около 170 квадратных метров, весил почти 30 тонн и содержал около 18 000 вакуумных ламп. Он потреблял столько электричества, что, по легенде, когда его включали, огни в соседних кварталах Филадельфии слегка тускнели. Он постоянно ломался: лампы перегорали, их нужно было менять чуть ли не каждый день.

Транзистор был меньше, надёжнее, потреблял несравнимо меньше энергии. И главное — его можно было делать очень маленьким. Очень-очень маленьким.

Интегральная схема: когда миллион умещается на ногте

Следующий шаг случился в конце 1950-х годов. Инженеры задались вопросом: а что, если разместить сразу несколько транзисторов на одной пластине из полупроводникового материала — кремния? И соединить их прямо там, без проводов?

Так родилась интегральная схема — или, как её часто называют, чип. Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга пришли к этой идее примерно в одно время. Килби получил Нобелевскую премию в 2000 году — уже в наши дни, спустя десятилетия после открытия.

Первые интегральные схемы содержали буквально несколько транзисторов. Несколько — это два, пять, десять. Уже это казалось революцией.

Но потом началась гонка миниатюризации, которая не останавливается до сих пор.

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей Intel, сформулировал наблюдение, которое вошло в историю как закон Мура: количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года, при этом стоимость одного транзистора падает, что позволяет производить более мощные чипы за ту же цену. Это не физический закон — скорее, инженерное обещание, которое индустрия давала себе и выполняла. Десятилетиями.

Давай просто посмотрим на цифры.

1971 год, первый процессор Intel 4004: 2300 транзисторов. Размер каждого — около 10 микрометров. Для сравнения: толщина человеческого волоса — около 70 микрометров. То есть транзистор был в семь раз тоньше волоса.

2020 год, процессоры Apple M1: около 16 миллиардов транзисторов. Технологический процесс — 5 нанометров (шаг литографии). Нанометр — это миллионная часть миллиметра. Для сравнения: атом кремния имеет диаметр около 0,2 нанометра. То есть современный транзистор — это примерно 25 атомов в поперечнике.

Двадцать пять атомов.

Это уже не инженерия в привычном смысле. Это работа с материей на почти атомарном уровне. Это физика, химия, квантовая механика — всё вместе, в производственных цехах, где воздух чище, чем в операционной.

Язык единиц и нулей

Хорошо, транзисторы маленькие и их много. Но как из миллиардов переключателей получается, например, фотография?

Давай разберёмся с языком.

Компьютер работает в двоичной системе счисления. В привычной нам десятичной системе мы используем десять цифр: от 0 до 9. В двоичной — только две: 0 и 1. Каждая такая цифра называется битом (от английского binary digit — двоичная цифра).

Один бит — это один транзистор в одном из двух состояний. Ноль или единица. Нет тока или есть ток.

Из восьми битов складывается байт. Байт — это уже маленький кирпичик, из которого строится всё остальное. Один байт может хранить, например, один символ текста — букву «а» или цифру «7».

Тысяча байт — килобайт. Миллион байт — мегабайт. Миллиард байт — гигабайт. Именно в этих единицах мы измеряем размер файлов, объём памяти, скорость интернета.

Теперь про фотографию. Цифровое изображение — это сетка из маленьких точек, пикселей. Каждый пиксель — это определённый цвет. Цвет задаётся тремя числами: интенсивность красного, зелёного и синего (это модель RGB). Каждое число — от 0 до 255, то есть умещается в один байт. Значит, на один пиксель нужно три байта.

Фотография с телефона — скажем, 12 мегапикселей — это 12 миллионов пикселей, то есть 36 миллионов байт в несжатом виде. Около 36 мегабайт. Поэтому существуют форматы вроде JPEG: они сжимают изображение, убирая детали, которые человеческий глаз всё равно не замечает, и уменьшают размер в десятки раз.

Точно так же работает и звук. Звуковая волна — это непрерывное колебание. Чтобы записать её в цифре, её «измеряют» тысячи раз в секунду — этот процесс называется оцифровкой. Каждое измерение — число, число — биты, биты — транзисторы. Музыкальный трек на три минуты — это десятки миллионов измерений, упакованных в файл.

Видео — это просто много фотографий в секунду плюс звук. 24 кадра в секунду для кино, 60 для плавного геймплея. Если умножить размер одного кадра на количество кадров, получим, почему видео занимает столько места и почему алгоритмы сжатия — это целая наука.

Полупроводники: почему кремний правит миром

Силиконовая долина — Silicon Valley — называется так именно в честь кремния. Но почему именно кремний? Почему не медь, не железо, не стекло?

Всё дело в свойствах материала. Есть проводники — материалы, которые хорошо проводят электрический ток (медь, золото, серебро). Есть изоляторы — материалы, которые ток не проводят почти совсем (пластик, стекло, резина). А есть полупроводники — материалы, которые находятся посередине и чьи свойства можно менять.

Кремний — именно такой. Сам по себе он проводит ток плохо. Но если добавить в него крошечное количество другого вещества — например, фосфора или бора, — его свойства меняются. Этот процесс называется легированием. Легированный кремний можно заставить проводить ток в одном направлении, блокировать в другом, усиливать сигнал — то есть делать всё то, что нужно для транзистора.

Кроме того, кремний — один из самых распространённых элементов на Земле. Обычный песок — это в основном диоксид кремния. Из него и делают чипы, хотя процесс очистки и преобразования невероятно сложен: нужен кремний чистотой 99,9999999% — девять девяток после запятой.

Сегодня исследователи активно работают над новыми материалами — графеном, нитридом галлия, карбидом кремния, — которые могут однажды заменить или дополнить кремний. Физические пределы миниатюризации уже почти достигнуты: транзисторы размером в несколько атомов начинают вести себя по законам квантовой механики, и классическая электроника там уже не работает. Но это — история следующих десятилетий.

Как транзисторы складываются в логику

Мы разобрались, что транзистор — это переключатель. Но как из переключателей получается, например, сложение двух чисел?

Ответ — в логических вентилях. Это базовые «строительные блоки» вычислений, каждый из которых сделан из нескольких транзисторов.

Рис. 1.2. Логические вентили И, ИЛИ, НЕ с таблицами истинности.

Самые простые из них называются И (AND), ИЛИ (OR) и НЕ (NOT).