Проблемы миниатюризации

При существующем сейчас, в 1960 году, уровне техники компьютер, сравнимый по своим возможностям с человеческим мозгом, должен быть размером с Пентагон! Попытайтесь только вообразить себе все сложности создания и эксплуатации такой чудовищной вычислительной машины! Прежде всего может выясниться, что для ее создания требуется слишком много материалов (например, количество германия на нашей планете может оказаться недостаточным для производства нужного количества транзисторов). Я уж не говорю об огромных сложностях, связанных с отводом выделяющего тепла, энергопотреблением и т.п. Однако основные сложности практического использования будут связаны, по-видимому, с конечностью скорости работы такого компьютера, поскольку из-за его огромных размеров необходимо учитывать время, требуемое для передачи информации из одного участка компьютера на другой. Поскольку скорость этой передачи не может превышать скорость света, развитие компьютерной техники с неизбежностью заставит нас решать проблему существенного уменьшения размеров вычислительных устройств. Однако, как я уже говорил выше, у нас есть много возможностей для такого уменьшения, и я не вижу в законах физики никаких принципиальных ограничений, запрещающих или мешающих нам создавать вычислительные элементы малых и сверхмалых размеров. Естественно, мы должны задуматься о методах создания таких устройств. При мысли об использовании определенным образом расположенных атомов прежде всего вспоминаются возможности напыления тонких слоев из атомов проводников и изоляторов. Действительно, уже сейчас мы умеем формировать напылением нужные нам конфигурации, содержащие все требуемые крошечные элементы электрических схем (катушки, конденсаторы, транзисторы и т.п.) в необходимом порядке. Однако я хочу предложить вам, хотя бы в шутку, и совсем другие методы. Почему бы нам, например, не производить крошечные компьютеры теми же методами, какими мы производим большие? Почему бы нам не научиться обрабатывать микроскопические объекты точно так же, как мы обрабатываем большие изделия, то есть штамповать или отливать их, сверлить в них дырки, резать, паять и т.п.? В чем, собственно говоря, состоят ограничения на размер отливаемых деталей? Наверняка многие из нас, намучившись с ремонтом очень мелкого механизма (представьте, что вы пытаетесь починить изящные женские часики!), мечтали о том, что было бы очень здорово выдрессировать муравьев и научить их выполнять всякие мелкие операции. Напрягите воображение, я предлагаю вам нечто гораздо более интересное и сложное, а именно попытаться выучить механизмы-муравьи методам дрессировки совсем крошечных клещей или букашек для сборки нужных нам деталей! Мы должны создавать крошечные, но подвижные и активные механизмы. Независимо от практической ценности, проектирование и создание таких микроскопических роботов было бы очень забавным и интересным занятием! Давайте всерьез задумаемся над тем, что мешает нам создать сверхмалую копию какого-либо механического устройства, например обычного автомобиля? Прежде всего у нас, разумеется, возникнут проблемы с точной обработкой деталей. Предположим, что автомобиль изготовляется с точностью 4/10000 дюйма (при меньшей точности, например, поршни будут застревать в цилиндрах двигателя). При микроскопической обработке точность должна быть порядка размеров атома, поскольку подшипники должны иметь шарики соответствующих размеров. Копия автомобиля, уменьшенного в 4000 раз, будет иметь длину около 1 мм, так что указанная выше стандартная точность обработки деталей двигателя ($10^{-5}$ м) должна в крошечной модели соответствовать размерам порядка 10 атомов (разумеется, если мы чуть-чуть снизим требования к эксплуатационным характеристикам этого крошечного авто, то сможем еще уменьшить его размеры). Создание столь малых механизмов ставит перед нами ряд интересных физических проблем. Во-первых, уменьшение размеров ведет, естественно, к соответствующему уменьшению веса и площадей контактов, так что некоторые параметры механизмов (например, вес и силы инерции) теряют свое значение. Другими словами, мы можем просто считать, что прочность используемых материалов значительно возросла. Более того, механические напряжения и связанные с ними деформации (например, во вращающихся деталях) должны значительно уменьшиться (они останутся неизменными лишь в том случае, если скорость вращения возрастет во столько же раз, во сколько уменьшатся размеры). С другой стороны, следует помнить и о зернистой структуре металлов, из-за чего на микроуровне могут возникнуть серьезные проблемы, обусловленные микронеоднородностью материалов. Поэтому, возможно, сверхмалые механизмы следовало бы изготовлять из аморфных веществ, обладающих высокооднородной структурой (типа пластиков или стекол). Некоторые проблемы могут возникнуть и при изготовлении деталей электрооборудования, например медных проводов или магнитных устройств, поскольку магнитные свойства объектов существенно зависят от их размеров (это связано с так называемой доменной структурой магнитных материалов). Поэтому нам придется задуматься о возможностях создания и использования магнитов, состоящих не из миллионов доменов (как принято считать в физике), а из одного-единственного домена. Разумеется, схему электропитания автомобиля нельзя запросто уменьшить в несколько тысяч раз, ее следует существенно изменить, однако я не считаю, что при этом могут возникнуть какие-то принципиальные осложнения.