Случайность или вероятность. Работает ли «эффект бабочки» в электронике?

Этот пост, возможно, немножко отличается от принятых на «Кеддре» канонов, но все же я надеюсь, что читателей он заинтересует. А чтобы не выходить за рамки ресурса, назовем его обзором. Правда, обзор этот будет немного не  привычный, ведь сегодня мы будем читать не о том, что нового появилось на рынке, а о том, что могло бы появиться, если бы не ….

И дальше возможно огромное количество вариантов…если бы не придумали транзистор, если бы не использовали жидкие кристаллы, если бы не додумались применять магнитные домены для хранения информации и т.д. Или эти варианты невозможны? Можно ли рассматривать науку как детерминированно-хаотическую систему, или же эффект бабочки здесь не работает и технологии не могли пойти другим путем? 

Многие, наверное, слышали о стим-панке. Это такое направление альтернативной фантастики, в котором авторы исходят из предположения, что не рубеже 19 и 20 века ученые активно занимались  не  изучением электричества, а совершенствованием механики, гидравлики и пневматики. Этакие рассуждения на тему альтернативного варианта  развития цивилизации. Но в таком мире «Кедру» и его читателям делать нечего, поэтому я предлагаю принять точкой развилки создание полупроводникового  транзистора. Можно спорить, это ли было главным открытием ХХ века, но  в том, что оно оказало огромнейшее влияние на мир, сомневаться невозможно. Даже в мире электроники я не могу назвать более важного открытия, чем это. Поэтому предлагаю принять  точкой отсчета 1952 год,  включить фантазию на полную катушку и поразмышлять о том, какими новостями, обзорами и утечками нас сейчас радовал бы «Кедр».

А чтобы фантазировать было легче, я проведу небольшой экскурс в историю. До момента изобретения транзистора их роль выполняли лампы, которые часто выходили из строя, требовали много энергии и занимали много места. Приемлемым временем работы всех ламп компьютера ENIAC без поломок считалось 20 часов.  Выход из строя одной лампы останавливал вычисления. Всего в компьютере было 17 468 ламп. Ни миниатюризация, ни повышение качества вакуума в лампах, ни новые металлы для нитей накаливания не могли кардинально улучшить ситуацию. Поэтому вариант совершенствования ламп мне кажется малоперспективным.

Но помимо  ламповых триодов есть еще масса явлений и эффектов, которые можно было бы использовать  для создания логических вентилей – фундамента любой электроники. Независимо от того, какие силы лежат в основе действия логических устройств (механические, пневматические, магнитные), мы должны иметь возможность  получать условные ноль и единицу (при условии использования двоичной логики). А для этого нужен компонент,  который имеет два стабильных состояния, переключения между которыми происходят при определенных условиях.

Есть большое разнообразие возможных вариантов, существуют даже проекты пневматических компьютеров.  Но это вряд ли могло бы стать альтернативной веткой истории. Куда интереснее, а главное вполне вероятно, выглядит возможность открытия сверхпроводимости при комнатных температурах, а также получения технологии создания фотонных кристаллов и технологии управления спином электрона.

Самым вероятным кажется открытие высокотемпературной сверхпроводимости. Науке известно много случаев когда открытия совершались случайно. Собственно, то же случилось в 1911 году. При исследовании температурной  зависимости сопротивления ртути  было определено, что ее сопротивление при 4,2° Кельвина  очень маленькое. Только через несколько недель исследований стало ясно, что оно не очень маленькое,   а строго равно нулю. Но есть и плохая новость – это наблюдается при крайне низких температурах. Только в 1968 г. ученые догадались использовать керамический раствор иттрия, бария и меди, в котором сверхпроводимость наблюдалась при 36° Кельвина (-237° Цельсия). Дальнейшие исследования довольно быстро сместили переход в сверхпроводящее состояние выше температуры жидкого азота. Если бы кому-то в 1940 годах пришло в голову смешать эти материалы  в нужных пропорциях, то, возможно, у нас бы дома стояли  персональные ПК с частотой переключения транзисторов порядка десятков сотен гигагерц, практически не потребляющих энергии, а, следовательно, выделяющих очень мало тепла. А вот если бы  ученые добились сверхпроводимости при комнатных температурах, а не при температуре жидкого азота,  то становится очень сложно делать прогнозы, так как это была бы настоящая революция, имеющая влияние не только на электронику, но и вообще на геополитическое равновесие в мире.

С фотонными кристаллами немного сложнее. Это материалы, структура которых характеризуется периодическим изменением показателя преломления. То есть, свет в таких структурах распространяется не по прямой, а претерпевает многократные отклонения. Степенью этих отклонений можно управлять. Но  в настоящих фотонных кристаллах, ширина слоев соразмерна  с длиной волны света, а это для оптического диапазона, сотни нанометров. Сделать подобные системы случайно было бы довольно таки сложно. Во-первых, потому что методы их формирования позаимствованы из современных технологий создания полупроводниковых структур, а во-вторых, потому что в 1940  годах человечество еще не обладало техникой, позволяющей управлять объектами порядка долей микрон, не говоря уже о нанометровых размерах. Но учитывая то, что такие кристаллы встречаются в природе, можем предположить, что кто-то мог бы попытаться их использовать в качестве ключей для оптических логических схем. Благо, лазеры в то время могли бы уже существовать. Современные разработки в этом направлении говорят о том, что оптические компьютеры должны характеризоваться очень малыми размерами и очень небольшой потребляемой мощностью. Это практически идеальные кандидаты на роль носимых устройств.  В отличии  от сверхпроводящих устройств, которые без охлаждения, наверное, могли бы работать только за полярным кругом.

 Что касается спинтроники, то, в отличие от классической электроники, где информация переносится зарядом электрона и в отличие от оптических систем, где носителем информации является фотон, спинтроника предлагает использовать для переноса информации спин электрона. Он просто идеально  подходит для двоичной логики, так как у спина  только два возможных состояния: спин вверх и спин вниз. В таком случае электрон  со спином вверх мог бы считаться условным нулем, а со спином вниз – условной единицей. Это единственная в этом  перечне технология, которая уже реально используется в коммерческих продуктах. Все жесткие диски работают на эффекте гигантского магнетосопротивления, за открытие которого была присуждена Нобелевская премия в 2007 году. Но, помимо устройств памяти, спин мог бы сослужить хорошую службу в транзисторах.

Как видим, нас ждало бы  очень интересное будущее, если бы Шокли, Бардин и Браттейн не создали транзистор. Но скорее всего, не они, так кто-то другой обязательно создал бы это столь дешевое и надежное устройство. В электронике, как и в любой другой сфере,  очень многое определяется экономической целесообразностью. Кремниевый транзистор еще довольно долго можно совершенствовать.  Уже сегодня  на массовый рынок могли бы выйти описанные выше технологии, но в том, чтобы они не появлялись, заинтересованы в первую очередь производители микросхем: слишком уж много средств вложено в заводы и инфраструктуру. Современный завод по производству интегральных микросхем стоит около 20 миллиардов долларов.  Пока кремний дает прибыль, его будут использовать. Потом, возможно, производители перейдут на арсенид-галиевые микросхемы. Важно то, что такой переход позволит использовать ту же планарную технологию, просто заменив материал, а это значит, что оборудование практически не придется менять.  То есть массовым потребителям еще долго придется довольствоваться постепенным совершенствованием электроники, несмотря на то, что наука уже сейчас готова дать миру просто нереальные по уровню технологий устройства.  Вопрос лишь в том, насколько это нужно нам.