Очень много страшных слов придумали древние греки. Мы привыкли пользоваться этими словами, не помня их происхождения и не замечая того, что всё чаще употребляем самые крепкие из них. Вот, например, цепочка слов-приставок, образующих кратные единицы измерения: дека, гекто, кило, мега, гига, тера. В конце - точка, а не многоточие: похоже, на том фантазия древних иссякла. А жаль, ведь скоро нам понадобятся еще более СТРАШНЫЕ слова.

Дека - это греческое deka, т.е. 10. Не страшно? Но этим словом "ругаются" производители спиртного, а декалитр на пользователя - серьезная доза. От греческого hekaton, т.е. 100, произошло гекто, созвучное не только земледелию, но и недавнему ужасу гипертоников, которые в эпоху засилья СИ (не путать с Си), слушая прогноз погоды, лихорадочно пересчитывали 999 гектопаскалей в родные мм рт.ст. От французского kilo веет террором революции и греческим chilioi, т.е. 1000. Хотя килограмм и килобайт не впечатляют, киловольт уже многих заставляет задуматься, а килопарсек не устрашает лишь астрономов.

Да, есть такая сверхнаука - диалектика! И она железно требует, чтобы количество переходило в качество. Потому за тремя греческими числительными следуют три греческих же прилагательных: megas - большой, gigas - гигантский, teras - чудовищный. Производные от них мега, гига и тера обозначают соответственно миллион, миллиард (=биллион) и триллион. От бедности языка теми же словами называются и степени двойки, близкие к степеням десятки. Например, кило - иногда 1000, а иногда и 1024, и эти фокусы помогают производителям винчестеров дурачить покупателей.

Похоже, что диалектика нас ТОЖЕ дурачит: количество перешло в качество на рубеже между кило и мега, но лишь филологически, а страшнее нам от того не сделалось. В 60-х годах мегабайт был чуть ли не синонимом мегатонны, но сегодня этими "большими байтами" измеряют видеопамять персоналок. Всего лишь шесть лет назад я читал о том, что 32-битная NT обеспечивает прямую адресацию 4 гигабайтов памяти, и что в этой жизни мне больше не понадобится, а теперь надеюсь дожить до интересного времени, когда и 64-битной прямой адресации будет мало. "Гигантскими байтами" уже измеряется оперативка не только суперкомпьютеров, но и самых хороших рабочих станций, а терабайтный рубеж объема оперативной памяти был недавно преодолен новейшим ультракомпьютером IBM. Чуть раньше его коллега - ультракомпьютер Intel TFLOPS - пробил терафлопсный барьер в производительности, и триллион "плавающих" операций в секунду перестал быть фантастикой. Однако этот "чудовищный флопс" был добыт "нечестным" путем - многотысячной толпой "настольных" процессоров Pentium Pro, работающих на вполне "настольной" частоте 200 мегагерцев. Производители массовых процессоров рвутся к заветному рубежу в 1 гигагерц, уже преодоленному спецпроцессорами, и никто не сомневается, что "настольные" частоты скоро будут измеряться в "гигантских герцах". Но вот ТЕРАГЕРЦ... Оказывается, уже есть и такой! Пока еще нет терагерцовых процессоров, но в этом году появились первые транзисторы, работающие на частотах выше "чудовищного герца". Триллион переключений в секунду дался нелегко: разработчики настигли его чудовищно далеко от привычного нам мира - в мире КВАНТОВЫХ явлений.

Мне кажется, что замечательный немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894) безвинно пострадал посмертно. ЗА ЧТО его фамилией назвали такую банальную вещь, как 1 цикл любого колебательного процесса в секунду, да еще, как бы издеваясь, пишут Гц или Hz на электророзетках? Герц, проживший всего лишь 37 лет, успел сделать для нас очень много. Он создал первый генератор электромагнитных волн (вибратор Герца) и первый их регистратор (резонатор Герца), посредством которых доказал существование электромагнитных волн и измерил скорость их распространения. Потому радио, телевидение, спутниковая связь и Интернет - это, в немалой степени, работа Герца. Но не только это. Экспериментально доказанная Герцем электродинамика Максвелла стала широко применяться, и очень скоро всплыли серьезные противоречия: эта теория не смогла объяснить спектр излучения абсолютно черного тела, а также спектры и стабильность атомов. Напряженная битва физиков с противоречиями в классических теориях заняла всю первую четверть нашего века, и в результате была выкована абсолютно новая теория движения материи - квантовая механика. Квантовые закономерности страшно далеки от нашего привычного, обыденного восприятия мира, но это - ЕДИНСТВЕННЫЙ недостаток квантовой механики, обнаруженный до сих пор. Эта теория нашла много применений; в частности, именно она объяснила свойства полупроводников. Потому транзистор, созданный полвека назад Бардиным, Браттейном и Шокли (Нобелевская премия за 1956 год), - это тоже, в известной степени, заслуга Герца. А в современных процессорах уже так много транзисторов, что сам Герц, несомненно, был бы рад буквам MHz в их маркировке!

Хотя квантовая механика и сыграла большую роль в создании транзистора, это вовсе не означает, что работа существующих мегагерцовых и гигагерцовых транзисторов основана на квантовых принципах. Нет, это чисто классические устройства. Например, в полевом транзисторе изменение напряжения на затворе изменяет площадь сечения проводящего канала исток-сток, вследствие чего изменяется электрическое сопротивление этого канала. Просто закон Ома и никакой квантовой механики. Инерционность классических транзисторов объясняется именно тем, что в них надо СНАЧАЛА переместить некоторые заряды, и лишь ЗАТЕМ это перемещение открывает или закрывает проход для других зарядов. С указанной инерционностью борются уменьшением размеров транзистора и переходом на материалы с большей подвижностью зарядов, например, с кремния на арсенид галлия. Оказывается, есть и другой путь: кардинально изменить принцип работы транзистора с классического на квантовый. В КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКОМ, или ТУННЕЛЬНОМ, транзисторе, созданном физиком Джерри Симмонсом и его коллегами из Sandia Labs, США, происходят вещи, совершенно невозможные с классической точки зрения: если на затвор подается определенный потенциал, то электроны в транзисторе МГНОВЕННО начинают свободно проходить сквозь слой ДИЭЛЕКТРИКА! Это вовсе не тривиальный электрический пробой: на то у электронов не хватает энергии. Это работает туннельный эффект - одна из жемчужин квантовой механики.

Смысл туннельного эффекта обычно объясняют на следующем примере. Две долины разделены горой. Как автомобилю попасть из одной долины в другую, если бензина не хватит для подъема на вершину горы? В классическом мире - никак, это абсолютно невозможно, т.е. вероятность увидеть этот автомобиль во второй долине равна нулю. Но в БОЛЕЕ реальном - квантовом - мире всегда существует ненулевая вероятность того, что мы увидим этот автомобиль по ту сторону горы как бы просочившимся, туннелировавшим сквозь гору БЕЗ затрат энергии, хотя никакого туннеля в горе НЕ БЫЛО. Разумеется, для обычной горы и обычной машины эта вероятность настолько мала, что нет смысла даже говорить о ней. Однако если машина - это электрон, а гора - это слой диэлектрика толщиной около сотни атомов, то туннельным эффектом пренебрегать нельзя. Более того, им можно управлять, и потому его можно ИСПОЛЬЗОВАТЬ. Дело в том, что вероятность туннелирования между двумя квантовыми ямами ("долинами"), разделенными квантовым барьером ("горой"), очень сильно зависит от соотношения между параметрами ям и барьера и длиной волны электрона. (А уж то, что электрон является и частицей, и волной одновременно, это основа основ квантовой механики.) Тонко подстраивая энергии и импульсы электронов в одной из ям, можно управлять силой туннельного тока, переносящего электроны сквозь барьер в другую яму. Именно это и делается в туннельном транзисторе Симмонса и его команды.

Туннельный транзистор представляет собой "сэндвич" из двух тончайших слоев полупроводника, разделенных столь же тонким слоем диэлектрика. Слои полупроводника GaAs имеют толщину 150 ангстремов (1 ангстрем = 1/10000 микрона), а слой диэлектрика AlGaAs - 125 ангстремов. Делают такие тонкие слои посредством технологий, наработанных в производстве полупроводниковых гетероструктур (например, для лазеров в CD-плейерах): эпитаксией молекулярными пучками и химическим осаждением из паровой фазы. Два слоя арсенида галлия образуют две квантовые ямы, "верхнюю" и "нижнюю", они же являются истоком и стоком транзистора. Ямы, в которых электроны движутся свободно, разделены квантовым барьером, слоем арсенида алюминия-галлия, в котором не может быть свободных электронов. Если между истоком и стоком приложить напряжение, ток через транзистор НЕ пойдет: слой диэлектрика не пропустит электронов. А как же туннельный эффект? Он будет совершенно незначительным, поскольку состояния электронов в верхней и нижней ямах не согласованы между собой. Для включения туннельного эффекта служит затвор транзистора - полоска металла, нанесенная на "сэндвич" сверху. Только при определенном напряжении на затворе состояния электронов в обеих ямах приходят в соответствие друг другу, мгновенно начинает работать туннельный эффект, и транзистор отпирается; выше и ниже этого значения управляющего потенциала транзистор заперт. Заметьте, что квантовый транзистор имеет ТРИ различных состояния (закрыт-открыт-закрыт), тогда как классические транзисторы - только два (закрыт-открыт). Следовательно, то же количество логической работы может производиться гораздо меньшим числом новых транзисторов, и их использование потребует полного изменения архитектуры микросхем. А сделать это придется, поскольку уже сегодня рабочая частота туннельного транзистора превысила ТРИЛЛИОН переключений в секунду. Это настолько большая частота, что пока не удается измерить ее точно - нет соответствующей аппаратуры. Туннельный транзистор не только быстр, но и очень скромен в питании: в этом отношении он характеризуется МИЛЛИВОЛЬТАМИ и МИКРОАМПЕРАМИ. Правда, полгода назад он работал только при температуре жидкого азота, но сейчас идет быстрый процесс его "размораживания", и разработчики верят, что уже в следующем году квантовомеханические транзисторы будут выдавать свои терагерцы при комнатной температуре. А в некомпьютерном мире эти новые устройства, благодаря их тонкой энергетической чувствительности, очень пригодятся как детекторы излучения в дальней инфракрасной области и даже как детекторы микродоз химических веществ.

Кто-то правильно сказал на Форуме "КВ", что в газете много хороших новостей из Интернета, а хотелось бы таких же, но отечественных. Я с удовольствием изменил бы слово "мистер" в названии данной статьи на "товарищ", "господин" или "спадар". Ведь для этого требуется всего ничего: чтобы не философы учили физиков, а наоборот; чтобы не инженеру платили в 2-3 раза меньше рабочего, а наоборот; чтобы не интеллигенцию гнали на вечную битву за урожай, а... нет, наоборот не надо; и еще пару-тройку сущих пустяков; и так хотя бы полвека. Пока же мы экспортируем не только продовольствие, но и очень неплохие мозги, и говорим: "Здравствуйте, мистер..."

Сергей СЕРЫЙ,
kvss@usa.net