Мозг Электроника: почему в книге 1964 года робот работал не на кремнии, а на «молектронах»

В 1964 году серийных кремниевых процессоров ещё не существовало: до появления первого промышленного микрочипа оставалось семь лет, а советские ЭВМ занимали помещения с аппаратными стойками и водяным охлаждением. Когда научный сотрудник журнала «Огонёк» Евгений Велтистов готовил к публикации повесть «Электроник — мальчик из чемодана», перед ним стояла прикладная инженерная задача: как технически объяснить мыслящую машину в габаритах подростка. Ответ он нашёл в публикациях Академии наук СССР. И этот ответ на несколько десятилетий опередил реальные технические решения.

Большинство зрителей помнит фильм 1979 года, где робота заряжали от розетки на 220 вольт, а в чемодане лежали безымянные металлические детали и тумблеры. В оригинальном тексте книги устройство робота описано иначе. Профессор Громов прямо говорит кибернетику Светловидову: мозг мальчика собран на молекулярно-электронных схемах, сокращённо — «молектронах». Блок объёмом в несколько кубических сантиметров вмещал миллионы действующих элементов. Но почему автор выбрал именно эту технологию, а не ставшие стандартом микросхемы?

Проблема сборки схем из отдельных компонентов

В начале шестидесятых годов электроника столкнулась с конструктивным ограничением: чем больше деталей в приборе, тем ниже надёжность всей системы. Любой вычислительный аппарат собирали из отдельных дискретных компонентов: ламп, резисторов, конденсаторов и полупроводниковых триодов. Чтобы воспроизвести структуру человеческого мозга, требовалось соединить между собой не меньше четырнадцати миллиардов таких элементов. Даже при уменьшении каждого компонента до миллиметра готовая система заняла бы тысячи кубических метров объёма, потребляла мегаватты мощности и выходила из строя каждые несколько минут из-за нарушения контактов в местах пайки. Требовался принципиально иной способ компоновки.

Тогда в институтах Академии наук СССР начали исследовать молектронику — молекулярную электронику. Принцип заключался в полном отказе от проводов и дискретных деталей. Вместо монтажа отдельных радиодеталей физики создавали функциональные участки прямо внутри монокристалла или тонких напылённых плёнок. Один микроскопический слой выполнял функцию сопротивления, соседний накапливал заряд, а пограничный слой работал как переключатель. Расчёты показывали, что такой подход поднимает плотность монтажа сразу в миллионы раз. И эти цифры совпали с параметрами биологического мозга.

Кора головного мозга человека содержит около ста миллионов нейронов на кубический сантиметр объёма. В повести Велтистов задаёт молектронным блокам Громова точно такие же параметры: миллионы активных узлов в одном кубике. Профессор в книге опирался на реальные расчёты советских институтов полупроводников, воспроизводя плотность ткани мозга. Казалось, технологическое направление выбрано на десятилетия вперёд, но в условиях реального производства инженеры столкнулись с высоким процентом брака.

Почему кремний вытеснил молекулярные плёнки

Главная проблема молекулярной электроники шестидесятых годов заключалась в повторяемости процесса. Получить тонкую плёнку в единичном лабораторном опыте советские физики могли, но заставить миллиарды таких структур работать одинаково на серийном заводе не получалось. Параметры молекулярных плёнок менялись от перепадов температуры, а микроскопическая пылинка выводила из строя весь блок. Промышленность тогда не располагала чистыми комнатами и оборудованием нужного класса точности. Пока молектронщики искали способы обеспечить стабильность тонких плёнок, инженеры кремниевых полупроводников выбрали другой путь.

В производство пошла планарная технология: транзисторы научились формировать на плоской кремниевой пластине с помощью оптической фотолитографии через трафареты. Кремний оказался дешёвым и стабильным в массовом заводском цикле. О молекулярных плёнках забыли на тридцать лет, сочтя их коммерчески невыгодными. Из-за этого мозг книжного Электроника читателям восьмидесятых годов казался выдумкой писателя, не угадавшего развитие микропроцессоров. Кремний решил сиюминутную производственную задачу, но физический предел плотности элементов остался неизменным.

Сейчас кремниевая микроэлектроника вплотную подошла к физической границе, о которой инженеры говорили шестьдесят лет назад. Толщина элементов современных процессоров уменьшилась до единиц нанометров — это цепочки всего из десятков атомов кремния. Дальше уменьшать транзистор мешают законы квантовой физики: электроны начинают произвольно просачиваться сквозь изоляторы. Мировым исследовательским центрам пришлось вернуться к плёночным молекулярным структурам.

Совмещение памяти и вычислений

Евгений Велтистов заложил в мозг робота ещё одну конструктивную особенность, которую часто упускают при чтении. Стандартные ЭВМ считывают команды из памяти последовательно: ячейка за ячейкой, такт за тактом. В книге профессор Громов указывает на медлительность такого принципа: машина тратит время на постоянную пересылку данных между процессором и блоком памяти. Мозг Электроника работал иначе: плёночная структура объединяла хранение и обработку в едином объёме, решая задачу параллельно всеми ячейками одновременно.

Разработчики современных нейроморфных чипов и мемристорных массивов сейчас заняты той же задачей: они убирают разделение на отдельный процессор и оперативную память, создавая многослойные плёночные матрицы с параллельной обработкой сигналов. Советская фантастическая повесть 1964 года содержала не художественную выдумку, а точное описание архитектуры, к которой электроника вернулась спустя шестьдесят лет.

Велтистов зафиксировал редкий исторический момент, когда физики пытались построить искусственный интеллект не через кремниевую логику, а напрямую через воспроизведение природных плотностей и принципов работы нервных клеток. Если бы в шестидесятые годы заводы смогли наладить промышленное производство стабильных молекулярных плёнок, вся современная компьютерная техника сегодня развивалась бы по совершенно другим физическим законам.