20.2. Какими возможностями мы обладаем сегодня?

20.2. Какими возможностями мы обладаем сегодня?

Конечно, мне хочется заглянуть в будущее и оценить прогресс наших возможностей создавать миниатюрные объекты. В той лекции я говорил об очень многом, от крошечных автомобилей до средств записи, компьютеров и информации. Хотя название сегодняшней лекции связано с бесконечно малыми машинами (мне хочется употребить даже старый термин машинерия), но в действительности, говоря об очень малых объектах, мы не можем уходить от проблем вычислительной техники и информации.

На первом слайде я просто демонстрирую некоторые микроскопические объекты, уже запущенные в коммерческое производство. Речь идет о вычислительных чипах размерами около 3 х 4 мм, в которых толщина соединительных проводов составляет несколько микрон (напомню, что микрон составляет одну миллионную часть метра или тысячную часть миллиметра), причем поперечные размеры при их изготовлении регулируются с точностью около трех мирон. Компьютерные чипы начали производить пять лет назад, поэтому сейчас уже существуют коммерческие образцы с точностью изготовления проводов до 0,5 микрона.

Такие чипы изготавливаются, как известно, напылением последовательных слоев через так называемые маски. ( Фейнман объединяет термином «напыление» все процессы изготовления схем в полупроводниковой технике) Затем можно, например, обработать маской (шаблоном) пластину точно направленными световыми лучами, в результате чего материал несколько изменяется и его можно будет дальше обрабатывать различными химическими методами (например, травлением), получая на нем требуемые паттерны, электрические схемы и т. д. Вытравливая и осаждая различные материалы (оксиды, кремний, кремний с диффузными добавками и т. п.) на последовательных этапах обработки, можно получать очень сложные и интересные паттерны или схемы, позволяющие осуществлять сложные операции. Эта техника четверть века назад казалась немыслимо сложной, но сейчас она стала основой крупномасштабных технологических процессов.

Настоящая и серьезная проблема заключается в том, сколь долго мы можем развивать и углублять эти технологии? Чуть позднее я буду говорить о том, насколько миниатюризация необходима и ценна для вычислительной техники, однако стоит вспомнить, что длина световых волн конечна, то есть вся технология литографического изготовления паттернов и масок принципиально не может обеспечивать точность выше длины полуволны используемого источника света. В настоящий момент в лабораторных условиях удается добиться точности около половины микрона, а в коммерческих технологических процессах она составляет примерно один микрон.

Итак, вы представляете себе наши возможности в лабораториях и на производстве, но я хочу предложить еще одну тему для размышлений. Майкл Исааксон из Лаборатории субмикронных исследований связался с одним моих друзей, художником-модернистом по имени Том Ван-Сант (Tom Van Sant). Я лично восхищаюсь его творчеством и считаю его истинным модернистом, то есть человеком, способным не только понимать современную культуру, технологию, науку и даже сущность природы, но и находить новые возможности их отображения и восприятия.

Позвольте показать вам на следующем слайде одну картин Ван-Санта. На первый взгляд, это просто произведение искусства, не правда ли? Зритель видит изображение человеческого глаза, отчетливо различая ресницы, брови и даже зрачок. Таких изображений в истории искусства было создано множество, но фокус состоит в том, что в данном случае вы видите лишь увеличенную копию самого маленького изображения глаза, созданного человечеством вообще! В действительности размеры картины составляют лишь около четверти микрона, то есть 250 миллимикронов, так что размеры зрачка равны 15–20 миллимикрон, а по диаметру центральной точки в зрачке можно уложить лишь около ста атомов! Легко понять, что художник вышел практически к мыслимым границам миниатюризации, так дальнейшее уменьшение деталей изображения потребует от него использования отдельных атомов. Нельзя представить себе никакого дальнейшего развития этой техники.

Я надеюсь, что картина понравилась и хочу поразить вас еще одним его необычным произведением. Поскольку ему нравится экспериментировать с изображением человеческого глаза, на следующем слайде вы вновь видите глаз. Картина очень хороша по колориту и форме, ее можно отнести к настоящим произведениям искусства, но что-то в ней настораживает, не правда ли? Я прошу зрителей, понявших смысл изображения, не выдавать секрета, поскольку я хочу пояснить секрет картины следующими слайдами, на которых детали даны в ином масштабе. Увеличив изображение, мы вдруг начинаем различать детали и штрихи, которые художник использовал для нанесения «морщинок» и особенностей глазницы, а при дальнейшем увеличении (следующий слайд) мы вдруг понимаем, что изображение глаза особым образом «вмонтировано» в общий вид города Лос-Анжелес на снимке, полученном из космоса! Человеческий глаз на картине представляет собой лишь элемент картины, и сейчас я поясню, как художнику удалось получить столь необычное изображение.

Снимок действительно сделан из космоса по системе LANDSAT, а глаз в углу картины предварительно создал на земле сам художник довольно необычным трюком. Дело в том, что Ван-Сант построил в пустыне рядом с Лос-Анжелесом устройство, моделирующее глаз, как бы имеющий в диаметре около 2,5 километров. Эту совершенно нетривиальную задачу художник решил весьма оригинальным методом. Он специальным образом расположил на очень большой территории набор из 24 зеркал с длиной стороны всего около 2 футов (~60 сантиметров), рассчитав их положение и ориентацию таким образом, чтобы отраженный ими солнечный свет попадал именно в ту точку, где должен находиться спутник LANDSAT, пролетая в очередной раз над городом Лос-Анжелес. Сигналы от зеркал попадают в объектив спутника, накапливаются при последовательных пролетах над городом, обрабатываются запоминающим устройством спутника и, в конечном итоге, создают со временем вполне устойчивые точки или элементы изображения (специалисты по связи называют их пикселями), складывающиеся в картину огромного человеческого глаза на краю города. Именно эту картину я и показал на первом слайде. Вот что я называю настоящим модернистским искусством! Выше я говорил о самом крошечном изображении, а описанное изображение можно считать самым большим произведением искусства, когда-либо созданным человеком. Изучив более внимательно исходную картину, можно заметить небольшое искажение, связанное с отсутствием одной точки на изображении. Когда художник с друзьями стал проверять свою установку, то оказалось, что одно из зеркал действительно сброшено с опоры и на нем легко различимы следы лапок диких кроликов, расплодившихся в окрестностях города. Кролик сумел уничтожить одно из зеркал и лишить Ван-Санта одного из пикселей на изображении.

А теперь давайте сравним обе картины и попробуем провести для них некоторые количественные оценки. Достижение Ван-Санта заключается в том, что он дает нам два изображения человеческого глаза, одно из которых в 100 000 раз меньше, а второе – в 100 000 раз больше нормального, и это неожиданным и странным образом позволяет нам оценить огромную разницу в масштабах изображения. Мы вдруг увидели один и тот же объект одновременно в двух ракурсах: размером в пылинку и в виде структуры, растянувшейся в 2,5 километра по калифорнийской пустыне. Само ощущение такого изменения масштабов является восхитительным, но меня интересует не художественное восприятие, а именно изменение масштабов, причем не столько в сторону уменьшения, сколько в сторону увеличения. Как будет выглядеть глаз, увеличенный еще в 100 000 раз, когда его размеры сравнятся с кольцами Сатурна, а сама планета будет соответствовать зрачку?

Я использовал эти картины, чтобы дать возможность ощутить проблемы, связанные с изменением масштабов, продемонстрировать существующие возможности миниатюризации и оценить прогресс, достигнутый в этой области со времени лекции 1960 года. Чуть позднее я поделюсь мыслями об очень важном вопросе дальнейшего уменьшения размеров вычислительных устройств, а сейчас мне хочется рассказать еще кое-что о миниатюрных машинах и устройствах.