Компьютеры стали настолько «умными» и «быстрыми», что мы доверяем им управлять практически всем в нашей жизни. Умная машина обыгрывает человека в шахматы, выдаёт по требованию необходимую нам информацию, оперирует, рисует картины, сочиняет стихи и музыку. Список того, что может делать сегодня компьютер, – очень большой. Как же работают «мозги» компьютера? Давайте разберёмся в этом.

Начнём с самого главного: компьютер думает не совсем как человек – это просто машина для выполнения чётких инструкций. Например, когда мы через мессенджер отправляем смайлик другу, компьютер воспринимает это так: «При нажатии клавиш : и ) передать эти символы в чат, отобразить в текущем окне, превратить в графический смайлик». Написать программу – значит разложить такие инструкции на длинные, но очень ясные наборы команд. Более того, есть «главная» программа – операционная система – задача которой запускать и выполнять команды-программы.

Как вы уже поняли, любая операция в «мозгу» компьютера описывается как список элементарных шагов. Так вот, в компьютерах самыми простыми шагами являются логические операции – И, ИЛИ, НЕ. Так же как мы состоим из атомов, программы состоят из этих операций.

Современные микропроцессоры – потрясающий триумф человеческой мысли, знаний и ультравысоких технологий. Но принцип их устройства может понять каждый, кто хоть раз включал лампочку в комнате. Свет не горит, пока выключатель находится в одном положении, но стоит на него нажать, как лампочка тут же вспыхнет. Если в проводах есть ток (Х) и если есть управляющий сигнал выключателя (Y), лампочка загорится (Z). Мы можем описать принцип работы этой системы всего одной операцией – «И». Пусть положительный ответ будет равен 1, а отрицательный 0. Тогда операцию «И» можно представить себе как умножение. Давайте проверим наше предположение:

ЕСЛИ X И Y, ТО Z

А раз уж электричество по проводам «течёт», то мы будем называть такое устройство логическим вентилем. Как водопроводный кран. В компьютерных процессорах роль такого переключателя выполняют транзисторы – простые электрические приборы. Транзисторы делают из полупроводников, которые способны пропускать или не пропускать ток, в зависимости от управляющего сигнала. Например, если управляющего сигнала нет, то транзистор может быть закрыт, и входной сигнал до выхода из него не доберётся, создавая логический вентиль «НЕ». Если транзистор смогут открыть только два входных сигнала вместе, мы получим вентиль «И», а если любой из них – то «ИЛИ»:

ЕСЛИ X ИЛИ Y, ТО Z

Так из транзисторов можно построить целый набор логических вентилей, а соединив их вместе – что-то вроде универсального модуля для проведения логических операций, процессора. Правда, необязательно «микро». Первые электрические компьютеры были ламповыми и при очень скромной, по сегодняшним меркам, производительности могли занимать целые здания и потреблять огромное количество энергии.

Только после Второй мировой войны удалось найти способ дешёвого производства компактных транзисторов из полупроводников. И в 1955 году появился первый полностью построенный на них компьютер. Он состоял из 800 транзисторов, опутанных проводами и, конечно же, компактностью и скоростью работы не отличался. Но следующий грандиозный шаг был не за горами: на рубеже 1960-х годов появился метод производства интегральных микросхем, «чипов», в которых на одной полупроводниковой пластине размещены и крошечные транзисторы, и нужные соединения между ними.

С тех пор инженеры и учёные находят всё новые и новые способы сделать транзисторы меньше по размеру, микросхемы становятся все компактнее и мощнее. Уже вскоре микропроцессоры стали достаточно мощными для того, чтобы сравняться с «большими» транзисторными ЭВМ, а в 1974 году появились первые персональные компьютеры на базе процессора Intel-8080, похожие на современные.

Сегодня лучшие компьютерные процессоры – такие как Intel Core – содержат миллиарды транзисторов, которые втиснуты в квадратную «таблетку» размерами с почтовую марку. Производство их – один из самых сложных технологических процессов, которые освоило человечество к XXI веку. Компаний, способных делать передовые микропроцессоры, можно пересчитать по пальцам одной руки, и каждый завод по их производству стоит миллиарды долларов. Но вот основной материал, из которых их делают, просто рассыпан у нас под ногами.

Действительно, всё начинается с песка. Ведь если прокалить песок с магнием, то из него можно выделить кремний. Это дешёвый и удобный в переработке полупроводник. Очищенный от примесей кремний расплавляют, в него погружают крошечную затравку, которая служит основой для роста большого кремниевого монокристалла. Его осторожно и медленно вытягивают из расплава, позволяя увеличиваться снизу. Затем с готового кристалла срезают очень тонкие, в доли миллиметра, полупроводниковые пластины. После дополнительной обработки из них получают идеально ровные и сверхчистые заготовки для производства микрочипов. Остаётся вырезать на них транзисторы, соединения и всё, что необходимо для работы будущему процессору.

В самом деле, кремний, из которого состоят монокристаллические пластины – это полупроводник, а вот его диоксид (SiO₂) – великолепный изолятор. Поэтому тонкий слой диоксида напыляют на пластину, и затем в нём прорезают крошечные канавки, так что комбинация Si и SiO₂ будет работать как элементы полупроводниковой микросхемы. Для этого на слой оксида наносят фоторезистивный материал, который твердеет под действием ультрафиолета, а затем облучают. В участках, где материал не затвердел, он легко смоется, в том числе смоется и слой SiO₂. На остальных участках он защитит его и оставит на месте.

Такой процесс называется фотолитографией и, действительно, напоминает метод, который использовали ещё живописцы Средневековья, процарапывавшие канавки на металле. Но в процессорах «изображают» не сцены из крестьянской жизни, а микросхемы с невероятно крошечными элементами – в современных чипах их размеры исчисляются уже нанометрами. Такая «картинка» наносится на покрытую кремниевую пластину при обработке фоторезистивного материала ультрафиолетом.

Тонкие технологии полупроводникового производства даже «ювелирными» не назовёшь – точность и чистота им требуются куда большие, чем ювелирам и хирургам. На некоторых этапах процесса температура может подниматься до 1500°C и контролируется с точностью до доли градуса. В рабочую зону обработки кремниевых пластин даже воздух подаётся высокой степени очистки, содержащий пылинки размерами не более 0,5 мкм и не больше пяти штук на литр воздуха. при входе в эти помещения люди обязаны носить маски и глухие костюмы, напоминающие костюмы спецзащиты военных химиков и биологов.

УФ-излучение проходит сквозь заранее подготовленный «трафарет» – инвертированную и увеличенную схему будущего процессора. Там, где на нём отмечены непрозрачные линии, УФ задержится и не доберётся до поверхности кремниевой пластины, а если путь свободен, излучение упадёт на неё и закрепит на месте фоторезистивный материал. Размеры такого шаблона, спроектированного инженерами, намного больше реального процессора – несколько десятков сантиметров – и, чтобы уменьшить картинку, прошедший через него ультрафиолет концентрируют с помощью специальных линз.

От тонкой работы этих литографических систем, от того, насколько сильно они способны уменьшить шаблон, не внося искажений, зависит количество деталей, которые мы можем разместить на пластине – количество транзисторов в будущем микропроцессоре – а в итоге и его производительность. В начале 1980-х эта точность превысила 1 мкм, а в наши дни уже начинается освоение технологий, позволяющих довести эту цифру до 10 нм – до одной миллионной доли миллиметра. С таким же «разрешением» сегодня удаётся нанести на кремниевую пластину и дополнительные слои, содержащие бор, алюминий и другие электрически активные примеси, сформировать контакты.

На каждой пластине получаются сотни микрочипов, которые тут же проходят контроль качества. Плохие – обычно они располагаются ближе к краям такой «вафли» – отбраковываются, а подходящие вырезаются алмазным диском. Лучшие микросхемы чаще получаются ближе к центру пластины, и их могут отбирать для дополнительных тестов и использования в особо ответственных системах, работающих в космосе, в научных инструментах или военной технике. Компьютеры, а значит и микропроцессоры – сегодня нужны везде.

Уже несколько лет спустя после изобретения интегральных схем один из пионеров компьютеризации, основатель компании Intel Гордон Мур заметил, что новая, более совершенная схема появляется примерно год спустя после выхода предыдущей – и что число транзисторов на ней возрастает примерно вдвое. Так появился знаменитый «Закон Мура», который – в современной формулировке – гласит, что количество транзисторов, которые удаётся разместить на интегральной схеме, увеличивается вдвое каждые 24 месяца.

Это результат простых наблюдений за развитием технологий – и до сих пор создатели микросхем удерживают этот бешеный темп, взятый ещё полвека назад. На представленном в 1971 году микропроцессоре Intel 4004 было около 2300 транзисторов. У вышедшего в 1993-м Pentium их стало уже 3,1 млн, а у современных процессоров Xeon может иметься десять ядер, каждое из которых содержит сотни миллионов транзисторов.