Компьютерная эволюция

Несложное устройство, похожее на старые бухгалтерские счеты, позволяло манипулировать цифрами обычной десятеричной системы. Каждый дальнейший ряд костяшек представлял следующую степень десяти: пятнадцати, например, соответствовали пять сдвинутых костяшек на нижней планке плюс одна — на второй снизу.

Чтобы прибавить к нему 115, достаточно было сдвинуть одну костяшку в третьем ряду (100), одну во втором (10) и пять в нижнем (пять), а поскольку 10 сдвинутых костяшек нижнего ряда равны одной во втором ряду, осталось вернуть их назад и добавить одну выше — 130. Готово.

Механические

Эта «модель» оказалась настолько удобной и универсальной, что ее совершенствовали и использовали в течение многих столетий, невзирая на появление более сложных и специализированных механизмов — начиная с астролябии и заканчивая логарифмической линейкой.

Скажем, суммирующая машина, созданная Паскалем еще в XVII веке, была, по сути, механизированными счетами. Зубчатые колеса с тем же передаточным отношением 1:10, делая определенное число оборотов, позволяли складывать числа с пятью-восемью десятичными разрядами. Чуть позже появился механизм Лейбница, способный производить все четыре основных арифметических действия.

Устроен он был сложнее: соответствующий разряд представлялся ступенчатым цилиндром, каждый из которых, совершив десять оборотов, возвращался в исходное положение и передавал один оборот на следующий цилиндр — так работают одометры в современных автомобилях. Те же движения в обратном порядке позволяли вычитать, а дополнительные механизмы, автоматизировавшие многократное сложение и вычитание, обеспечили умножение и деление.

Сам Лейбниц говорил, что простой счет «не стоит внимания и времени достойного человека, раз любой крестьянин способен выполнить ту же работу с той же точностью, если будет пользоваться машиной». Однако первое задокументированное употребление слова «компьютер» (Ричард Брейтвейт, 1613 год) обозначало не машину, а профессию. В те годы настоящими «компьютерами» были действительно опытные в арифметике люди — и такая ситуация сохранялась вплоть до середины XIX века, когда их понемногу стали вытеснять механизмы. С 1890-х слово «компьютер» входит в Оксфордский словарь английского языка — уже в качестве механического устройства.

Однако практически все арифмометры того времени были лишь более усовершенствованными, дешевыми и надежными версиями машины Лейбница: полностью избавиться от ручного труда при счете они не позволяли. Большинство практических задач — будь то расчет баллистического полета снаряда или опор железнодорожного моста — требуют ввода, обработки и считывания десятков, сотен и тысяч чисел. Вычисления отнимали массу сил и ресурсов, и, чтобы действительно освободить «достойных людей» от унизительной работы «счетчиком», была необходима машина, способная производить любые вычисления и обладающая памятью, устройствами ввода и вывода данных.

Впервые о таком универсальном механизме задумался Чарльз Бэббидж, который в 1820-1840 годах работал над разностной машиной для разложения функций на многочлены. Сложнейшая система из десятков тысяч деталей так никогда и не была им до конца построена, и лишь к 200-летию со дня рождения Бэббиджа в Великобритании собрали и ее (доказав правильность расчетов инженера), и спроектированный им примитивный принтер.

Идея универсальной машины Бэббиджа — хотя и не была реализуема с технологиями того времени — произвела большое впечатление на умы. Уже в середине XIX века графиня Ада Лавлейс описала работу такого механизма, введя представления об алгоритмах, циклах, и стала первым программистом еще не существующего компьютера. Впрочем, ждать оставалось недолго.

Электромеханические

К концу того же XIX века правительство США столкнулось с быстрым ростом населения — в основном за счет наплыва мигрантов из Европы. Законодательство страны предписывает проводить перепись населения каждые 10 лет, но уже в 1880 году анкет собрали столько, что их ручная обработка заняла семь лет. Дотошные статистики подсчитали, что на перепись в 1890-м потребуется уже больше 10 лет — объемы росли как снежный ком. Именно для их обработки инженер Герман Холлерит создал табуляционную машину, которая использовала перфокарты. Отверстия, соответствующие ответам анкеты, позволяли тонким гибким проводам проходить перфокарту насквозь и соединяться внизу с проводящими ячейками, жидкими электродами из ртути. Замыкание контактов заставляло крошечный мотор крутить соответствующее колесо на один оборот, фиксируя позицию.

Соединяя электроды в схемы, можно было производить сложение и комбинаторные вычисления: например, при выяснении общего числа женатых мужчин. Это был большой шаг вперед — уже не механический, а электромеханический компьютер. Табуляторы Холлерита позволили обрабатывать данные на порядок быстрее — их закупило даже правительство царской России, где они были использованы для переписи 1897 года. Созданная инженером компания Computing-Tabulating-Recording (CTR) разрабатывала и выпускала все более сложные табуляторы, а с 1924 года стала известна под новым, ныне всем знакомым названием — International Business Machines, или просто IBM.

Продукты компании были чрезвычайно успешны, но их способностей быстро стало не хватать. Индустриализация и Первая мировая война, бурное развитие заводов и городов, науки и транспорта требовали все большей производительности. Росли и усложнялись электромеханические системы: построенная той же IBM в 1941 году машина «Марк I» по заказу американского ВМФ занимала целое здание и была невероятно сложна в управлении и эксплуатации.

Она использовала десятки перфолент и миллионы вариантов соединений, но главной новинкой стало внедрение электромеханических реле. Это устройство можно назвать переключателем, который задерживает или пропускает ток (вращающий все то же счетное колесо) в зависимости от того, есть ли ток во втором, управляющем контуре. Пришла пора использовать логику.

Электрические

Комбинируя такие переключатели, можно получать логические вентили для проведения вычислений. Представим, что нам необходимо сложить пять и шесть. В бинарной системе это означает суммировать 0101 и 0110, разряд за разрядом, по правилам: 0 + 1 = 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 10. Нам потребуются всего два логических вентиля: первый будет выдавать ток (1), если один из суммируемых регистров содержит 1 и в нашем случае даст 0011; второй будет срабатывать только на 1 и 1 — в нашем случае это соответствует 1000. Одновременная работа двух схем даст 1011 — или 11 в десятеричной системе.

С бытовой точки зрения не слишком удобно, но для компьютера — что надо. В качестве носителей нулей и единиц могут выступать перфокарты, магнитные ленты или ячейки памяти, а как логические элементы — «переключатели». К моменту, на котором мы остановились, они эволюционировали до полностью электрических.

В самом деле, все 3,5 тысячи механических реле «Марк I» требовали физического переключения, заставляя цепь то замыкаться, то размыкаться снова. В результате они обладали лишь ограниченным запасом выносливости и требовали замены спустя примерно 50 тысяч переключений. Это снижало и их быстродействие: машина могла производить лишь три операции сложения или вычитания в секунду. Наконец, механическое решение крайне ненадежно: обычное насекомое, пробравшееся внутрь системы, грозило нарушить ее работу — что и случалось то и дело, породив современное словечко «баг». Неудивительно, что вскоре инженеры обратили внимание на другой способ получить управляемые переключатели — электронные ламповые диоды, превратившие электромеханические системы в полностью электрические.

Такие приборы создали еще в 1900-х: вакуумная лампа содержит электроды, один из которых, нагреваясь при подаче тока, начинает испускать электроны, которые устремляются к противоположно заряженному электроду. Однако установленный между ними третий электрод может управлять этим потоком. Если на него подано отрицательное напряжение, он блокирует движение электронов, а если положительное — облегчает его.

Ламповые диоды были куда надежнее и быстрее механических реле, они могли переключаться сотни и тысячи раз в секунду и служили дольше. Их широко использовали в усилителях звука: слабый ток в управляющем контуре замыкал более мощный рабочий контур, тем самым усиливая сигнал. Но если бытовой усилитель требовал одну лампу, компьютеру были нужны сотни — хрупких, дорогих, требовавших регулярной замены и энергетически прожорливых.

При этом уже первые ламповые компьютеры — такие как Colossus, взламывавший шифры радиосообщений вермахта в годы Второй мировой — быстро перевалили через планку в тысячи диодов. Для проведения каждого конкретного вычисления приходилось перепрограммировать систему полностью, по-новому комбинируя логические вентили из электронных ламп.

Автоматизировали этот процесс лишь создатели следующей машины — ENIAC, законченной к 1945 году и использовавшейся для разработки термоядерного оружия. Это был первый действительно программируемый компьютер, способный проводить уже до 500 тысяч операций в секунду. Тем не менее стало очевидно, что необходим принципиально иной механизм создания переключателей-реле: приближалось время транзисторов.

Электронные

Заслуга создания полупроводниковых транзисторов принадлежит Уильяму Шокли и его коллегам из Bell Laboratories. По сути, это те же переключатели, далекие потомки механических и ламповых систем, но действующие уже на более миниатюрном уровне.

Чтобы понять, как они действуют, нам придется снова спуститься к атомному масштабу. Кремний — один из основных элементов в земной коре — образует кристаллическую решетку со свойствами полупроводника. В чистом виде все четыре электрона, которые есть на внешних оболочках атомов кремния, оказываются разделенными между соседними узлами решетки.

Они стабилизированы и не способны двигаться, так что безупречный кремниевый кристалл ток не проводит. Однако внесение уже небольших количеств добавок (допирование) из элементов с другим числом внешних электронов (например, бора) создает в решетке свободные носители заряда — или вакансии (дырки), — которые те будут стремиться занять. Мы получим материал с электронной (N-) или дырочной (P-) проводимостью.

Миниатюрные

Теперь представим, что аккуратным допированием мы превратили небольшой фрагмент чистого кремния в N-полупроводник с тонкой полоской Р-проводимости, разделяющей его пополам. Избыток электронов из N-областей займет ближайшие дырки в P-области, создав область с избыточным отрицательным зарядом. Она будет препятствовать дальнейшему движению электронов, запирая течение тока, как третий управляющий электрод в вакуумной лампе. Но если на Р-область подается положительный заряд, он удалит лишние электроны, позволив току двигаться.

Мы получили все тот же переключатель, но уже невероятно компактный и быстрый, энергоэффективный и совершенно неизнашивающийся. Комбинируя кремние­вые NPN-­ или PNP-­транзисторы, можно выстраивать любые логические схемы для сверхбыстрых расчетов, размещая в крошечном объеме миллиарды транзисторов и контактов между ними. Остается лишь произвести их.

Современные технологии производства полупроводниковых микросхем точнее ювелирных и требуют более чем хирургической чистоты. Температура, которая на некоторых этапах доводится до 1500 °C, контролируется до десятых долей градуса, а пылинок в воздухе огромных производственных помещений должно содержаться не больше пяти на литр объема. Только так можно добиться достаточной точности и размещать на микросхеме все больше и больше транзисторов — от 2300 на революционном микропроцессоре 1971 года Intel 4004, до 3,1 миллиона транзисто­ров на Intel Pentium 1993 года и сотен миллионов в каждом из десяти ядер современного процессора Xeon.

Высокая чистота требуется и от основного ресурса производства — кварцевого песка, который прокаливают в присутствии магния для дополнительной очистки и удаления кислорода. Полученный кремний расплавляют и погружают в него затравку — крошечный кристалл, который медленно вытягивают, наращивая все новые атомарные слои, пока не будет получен достаточных размеров монокристалл. Нарезая его, получают тонкие — меньше миллиметра — пластины чистого полупроводника, которые после шлифования и дополнительной обработки превращаются в заготовки для того, чтобы «вырезать» целую систему транзисторов и связей — микросхему будущего процессора.

Для этого кремний (полупроводник) покрывают слоем оксида кремния (изолятор) и фоторезистивного материала. Под действием ультрафиолетового луча он затвердевает, а в остальных участках впоследствии смывается, позволяя удалить и изолирующий слой оксида. Процесс похож на средневековую технологию литографии, при которой краска сохранялась лишь в процарапанных в металлической пластинке канавках, образуя готовый рисунок для отпечатка. Он и называется фотолитографией, хотя «канавки» тут — уже нанометровый рисунок тончайшей микросхемы.

При этом используются заранее подготовленные трафареты, пропускающие ультрафиолет в одних участках и задерживающие в других. Аналогичным образом наносят другие слои, содержащие бор или другие примеси для формирования NPN-переходов, медь или прочие металлы — для будущих контактов.

Размеры трафаретов намного больше, чем у будущего процессора, поэтому «снопы» излучения после них фокусируются на крошечной площади с помощью специальных линз. Уже в 1980-х точность работы таких систем удалось довести до микрометров, а современные технологии позволяют «уменьшать» картинку трафарета при переносе на кремниевый кристалл еще на много порядков — вплоть до 10 нанометров.

Прогресс впечатляет и до сих пор полностью согласуется с правилом, которое еще на заре развития кремниевой электроники утвердил Гордон Мур, один из руководителей IBM: каждые 18 месяцев производительность микросхем удваивается. Такому развитию давно и безуспешно завидуют прочие области техники (представьте, если бы скорость транспортных перевозок росла подобными темпами!), однако и ему, видимо, скоро придет конец.

Будущие

В самом деле, меньше известно другое замечание Мура — о том, что затраты на каждый следующий шаг миниатюризации кремниевых микросхем растут почти с той же скоростью, что и их производительность. В последние годы это привело к некоторому отставанию схемотехники от привычной скорости развития, да и инженеры вплотную приблизились к пределу минимума. Транзисторы — размерами лишь в сотни, а то и десятки атомов — уже проявляют себя как квантовые системы. В них возникают случайные эффекты, вносящие искажения в точность вычислений, — и ускорение суперкомпьютеров все больше полагается не на мощь отдельных микросхем, а на большое число совместно работающих элементов.

Впрочем, даже закат кремниевых транзисторов не будет означать, что мы подошли к пределу производительности компьютеров как таковых. Большую перспективу некоторые специалисты видят за ДНК-вычислениями, комбинирующими парные нуклеотиды в цепочках нуклеиновых кислот: теоретически они обещают невероятно высокую производительность при решении многих задач, требующих параллельных вычислений. Еще больше надежд связано с квантовыми компьютерами, которые способны опираться на те самые случайные и странные эффекты квантовой механики, от которых страдают невероятно миниатюризированные кремниевые микросхемы. Первые из них уже начали работу — впрочем, они достойны отдельного рассказа.