[Перевод] Забытый криотронный компьютер Дадли Бака
В 1950-х годах аспирант Массачусетского технологического института убеждал инженеров создавать компьютеры с использованием сверхпроводящих магнитных переключателей вместо ламп или транзисторов.
Изобретение Бака пережило творца. Более того, оно живо и по сей день: криотрон лежит в основе проектов IBM по созданию сверхпроводящих кубитов.
Тем не менее, десятилетия работы над криотроном затерялись на страницах истории компьютеростроения. Многие современные инженеры даже не слышали об этой технологии. Давайте поговорим о работе Бака и его ныне забытом криотронном компьютере.
После Второй мировой войны перед инженерами-электронщиками стоял фундаментально важный вопрос: как нужно строить электронные цифровые компьютеры? Какой тип переключателей лучше всего подходит для логических схем? А что использовать для основной памяти?
Недолго думая, из множества вариантов они выбрали электронные лампы для использования в качестве основного логического переключателя. При этом, чтобы построить всего одну машину, требовались тысячи этих ламп. Транзисторы тогда всерьез никто не рассматривал — они только-только были разработаны Bell Telephone Laboratories.
Вариантов «памяти» тоже было предостаточно: специальные электронно-лучевые и ртутные трубки, вращающиеся магнитные барабаны. К 1950-м появился еще один перспективный кандидат: магнитные сердечники. Одно кольцо, выполненное из ферромагнетика, могло содержать 1 бит данных в зависимости от того, в каком направлении оно было намагничено.
В середине 50-х мир первых вычислительных машин заселили ламповые мейнфреймы с памятью на магнитных сердечниках. Как известно, спустя какое-то время на смену лампам пришли транзисторы, а затем — интегральные схемы, как для реализации логики, так и для памяти. Но в 1950–1960-х гг. различные группы инженеров искали принципиально новые пути для создания цифровых компьютеров.
Одним из самых примечательных «радикальных» ученых был Дадли Аллен Бак. Он работал в МТИ с 1950 по 1959 год — вплоть до своей трагической смерти в возрасте 32 лет. Он успел сделать важный вклад в ранние исследования в области создания микросхем. Кроме того, ему принадлежит разработка криотрона — сверхпроводящего переключателя. По мнению Бака, его детище должно было стать основным «строительным блоком» для всех цифровых компьютеров будущего. Ему поверили гиганты: GE, IBM, RCA и военные ведомства США. В конце 1950-х были развернуты крупные исследовательские проекты, посвященные криотрону. Завершились они только после того, как индустрия однозначно выбрала «преемника ламп» — кремниевые микрочипы.
Сделано вручную: Бак создал множество прототипов, включая схему мультивибратора [крупный план, cверху], схема которого состоит из 19 отдельных криотронов [cнизу].
В 1948 году Дадли Бак получил степень бакалавра в области электротехники Вашингтонского университета. Его первым местом работы стала криптологическая организация ВМС США. Там он познакомился с первыми цифровыми компьютерами. В 1950 году он устроился в Массачусетский технологический институт и поступил в аспирантуру по электротехнике к физику Артуру фон Хиппелю. Баку довелось поучаствовать в проекте Whirlwind Массачусетского технологического института — технологического монстра, предназначенного для военных целей.
Джей Ласт, аспирант Бака в МТИ, впоследствии возглавивший команду создателей первой планарной кремниевой интегральной схемы Fairchild Semiconductor, вспоминает его как «великого провидца» и «хорошего человека… до неприличия хорошего». Подтверждение впечатлению Ласта можно найти в письме Бака, написанном в 1954 году, когда ему было всего 27 лет:
«У меня есть приемный сын. Из своих 17 лет 4 он прожил со мной. 6 лет я был скаутмастером, а теперь хожу в методистскую церковь. Иногда по воскресеньям я даже встаю за кафедру. Я одинаково люблю работать и с человеческими, и с инженерными ценностями.»
Несмотря на богатую социальную и личную жизнь, Бак с огромной отдачей продолжал работать в МТИ. В проекте Whirlwind он подбирал материалы для изготовления магнитных сердечников. Помимо этого, он находился в постоянном поиске материалов, которые можно было применить в качестве основы для переключателей нового поколения.
А 1952 году внимание Бака привлек химический элемент висмут, известный сильным магнитным сопротивлением: его удельное электрическое сопротивление резко возрастает в ответ на магнитное поле, особенно при низких температурах. При температуре кипения жидкого гелия (4,2 кельвина) электрическое сопротивление висмута изменяется в десятки миллионов раз при приложении сильного магнитного поля. Такое поведение может быть полезно для сборки компьютеров — подумал Бак. Относительно небольшой ток в контрольном проводе и создаваемое им магнитное поле могут вызвать огромное изменение удельного сопротивления висмута, внезапно запретив или позволив току проходить через него. Это будет настоящий электронный переключатель!
К 1954 году Бак обратил внимание на еще более интересное свойство электромагнетизма, обнаруженное при низких температурах жидкого гелия: сверхпроводимость. Это явление, хотя и своеобразное, уже было изучено ранее. С начала XX века физикам было известно, что при охлаждении до температур, близких к температуре кипения жидкого гелия, различные металлы полностью теряют свое электрическое сопротивление.
Сверхпроводимость также имеет магнитный аспект, известный как эффект Мейснера. На сверхпроводящий материал не действуют магнитные поля —, но лишь до определенного момента. Если приложить достаточно сильное магнитное поле, материал почти мгновенно переходит в резистивное состояние. Если магнитное поле убрать, материал возвращается в сверхпроводящее состояние.
Бак увидел потенциал этого явления для электронных цифровых компьютеров: можно создать сверхпроводящий переключатель с магнитным управлением. Это изобретение могло уложить и лампы, и магнитные сердечники на лопатки! Сверхпроводящий переключатель может быть очень компактным, быстрым и энергоэффективным.
Бак в духе футуризма 1950-х назвал свое изобретение криотроном — смесь слов cryo (ϰρύος, греч. «ледяной холод, мороз») и electronics. Но придумать технологию и дать ей имя было мало. Бак моментально приступил к строительству и тестированию десятков прототипов.
Первые криотроны Бака были до умопомрачения просты. Состояли они из отрезка танталовой проволоки в тугой медной обмотке. К концам медной и танталовой проволоки были подключены электрические выводы, и криотрон погружался в контейнер с жидким гелием.
По медной обмотке шел ток, что создавало магнитное поле. Бак мог сделать танталовую проволоку как сверхпроводимой, так и вернуть ей сопротивление. Прототипы оказались рабочими. Совсем небольшой ток в обмотке позволял управлять гораздо большим током в танталовой проволоке. Криотрон Бака функционировал как логический переключатель цифрового компьютера не хуже ламп и транзисторов.
Бак был захвачен перспективой создания нового устройства. В своей магистерской диссертации он предполагал создание целых массивов криотронов. Бак считал, что даже из его простых прототипов можно построить цифровой компьютер, где криотроны будут использоваться и для логики, и для памяти. Однако существовала одна проблема: скорость переключения криотрона была лишь ненамного выше, чем у электромеханического реле.
В поисках лучшего Бак перепробовал огромное количество различных материалов. Комбинация свинцовой обмотки с ниобием, например, давала время переключения 5 микросекунд. Неплохо, но все же намного медленнее, чем у самых быстрых транзисторов того времени — они переключались в 100 раз быстрее. По мнению Бака, уменьшив физический размер криотрона, можно было достичь производительности не ниже, чем у самых быстрых транзисторов.
Соединив вместе несколько прототипов криотрона, Бак успешно изготовил логический вентиль, триггер и усилитель с разветвителем. Выходит, что с помощью одних только криотронов можно собрать все основные схемы для цифровой компьютерной памяти и логики. Криотронный сверхпроводящий компьютер перестал быть идиллической мечтой.
Whirlwind: Бак надеялся, что однажды инженеры смогут уместить компьютер такой же мощности в корпус размером с хлебницу
На этом этапе исследовательская программа Бака всерьез расширилась. Он считал, что, используя методы микроминиатюризации, сможет создать компьютер, содержащий десятки тысяч криотронов. Машина Бака будет обладать вычислительной мощностью, сопоставимой с Whirlwind, одним из самых передовых цифровых компьютеров в мире. Но Whirlwind занимал несколько комнат и потреблял 150 киловатт электроэнергии.
28-летний инженер, по сути, предложил уменьшить Whirlwind до размеров радиоприемника, погрузить его в ванну с жидким гелием и запустить. По его словам, компьютер будет потреблять столько же, сколько обыкновенная лампочка на рождественской елке. Заявление смелое, однако энтузиазм молодого ученого и крепкая аргументация убедили коллег дать его проекту «зеленый свет».
Исследования криотронов официально закрепили за Баком в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. Продолжая работать над компактными, более быстрыми и энергоэффективными криотронами, он одновременно начал проект по созданию «большой» компьютерной памяти, для которой низкая скорость переключения уже существующих криотронов не имела бы значения.
Для памяти с адресацией по содержанию (позднейшее название) Бак предложил схему из 75 000 криотронов. Сам Бак назвал её recognition unit, так как каждая ячейка памяти проверялась на наличие в ней желаемой информации.
Такой вид памяти был полезен для криптоанализа, в котором важна идентификация шаблонов. Полностью собранный криотронный блок распознавания должен был быть не больше портфеля и при этом иметь сопоставимый с Whirlwind объем памяти — 3,2 килобайта.
Когда в середине 1955 года Бак готовил патентную заявку на криотрон, слух о его работе по созданию адресуемой по содержанию памяти просочился в криптологические и компьютерные круги США, вызвав немалый ажиотаж. В июле того же года Джон Макферсон, вице-президент IBM и ведущий специалист в области электронных вычислений, написал Баку, что Уильям Фридман, главный криптолог АНБ, «очень заинтересован» в сверхпроводящих компонентах компьютера Бака. Спустя всего несколько дней криотрон (Magnetically Controlled Gating Element) был запатентован. В заявке содержался широкий список возможностей криотрона и вариантов применения его в компьютерах.
К этому моменту исследования Бака по криотрону вышли за пределы Массачусетского технологического института. Он подписал консалтинговое соглашение по технологии криотронов с исследовательской фирмой Arthur D. Little. Компания находилась в двух шагах от кампуса МТИ и в 1950-х годах была ведущим производителем криостатов для производства жидкого гелия. При спонсорской поддержке АНБ Бак и сотрудники из A.D. Little начали разработку криотронной памяти. Их первым совместным проектом был небольшой массив памяти для проверки концепции.
В 1955 году Бак сосредоточился на создании миниатюрных криотронов и интегрированных матриц с использованием тонких напыленных пленок. Вместо того, чтобы наматывать маленькие провода друг на друга, он хотел испарять металл через «маску», похожую на трафарет, на подложку и создавать тонкий узор из сверхпроводящего материала. Поверх этой пленки напылялся второй, контролирующий слой. Это было нужно, чтобы «печатать» целые массивы криотронов.
В ходе подготовки Бак испытал множество материалов: сплавы свинца, висмута, стронция, индия и других элементов. В итоге ему удалось создать пленку из сплава свинец-висмут-стронций толщиной 100 нанометров. Она могла переключаться между сверхпроводящим и резистивным состояниями за 0,1 микросекунды, что было в десять раз меньше скорости самого быстрого транзистора того времени. Кроме этого, Бак разработал множество двоичных схем, которые можно было построить исключительно из криотронов — триггеры, вентили, мультивибраторы, сумматоры и аккумуляторы.
После регистрации патента и завершения исследований Бак был готов объявить миру о криотроне. В ноябре 1955 года он представил доклад под названием «Криотрон — сверхпроводящий компьютерный компонент» в Институт радиоинженеров, одну из организаций-предшественников IEEE. В статье Бак подробно описал криотрон с проволочной обмоткой и ряд основных цифровых схем, которые можно собрать с его помощью, подчеркивая значение этого сверхпроводящего устройства в вычислениях. «Криотрон в его текущем состоянии… может использоваться в качестве активного элемента в логических схемах», — писал Бак. Не смог он удержаться и от смелого заявления о том, что в ближайшем будущем «большой цифровой компьютер будет занимать всего один кубический фут… и ему будет достаточно половины ватта мощности».
О скоростях криотронов Бак, напротив, писал весьма скромно: «В настоящее время устройство работает несколько быстрее, чем электромеханические реле, но намного медленнее, чем электронные лампы и транзисторы. Мы работаем над увеличением скорости». Несмотря на то, что тонкопленочные криотроны, сопоставимые с транзисторами, уже были испытаны, Бак не торопился делиться этой информацией с общественностью.
Сравним размеры: Бак держит на ладони прототип криотрона, электровакуумную лампу и транзистор.
К моменту публикации статьи в Proceedings of the IRE (апрель 1956 г.) тонкопленочные криотроны уже проходили испытания. Под руководством Бака инженер АНБ Альберт Слэйд начал собственные исследования криотронных схем.
Примерно в это же время Бак представил фон Хиппелю тему для докторской диссертации — исследование тонких пленок из сверхпроводящих материалов и способы управления их толщиной и геометрией для создания криотронов с быстрым переключением. Фон Хиппель одобрил тему и назвал её крайне многообещающей.
Вплоть до своей смерти в 1959 году Бак активно занимался разработкой интегрированных криотронных микросхем. Альберт Слейд перевелся из АНБ в Arthur D. Little специально, чтобы работать над криотронной памятью. Другой специалист АНБ, Гораций Тарп Манн, при поддержке Бака занялся изучением тонкопленочных криотронов. В 1957 году IBM и RCA запустили собственные программы, финансируемые АНБ, по разработке высокоскоростного тонкопленочного криотрона. GE тоже не осталась в стороне, начав внутренние исследования. Бак, все еще бывший аспирантом МТИ, впервые столкнулся с жесткой конкуренцией.
В свойственной ему манере Бак решил поставить перед собой еще более высокую цель. Он привлек к работе Кеннета Р. Шоулдерса, сотрудника лаборатории фон Хиппеля. Шоулдерс в то время занимался другой инновационной технологией: использованием электронных лучей для «микромашиностроения», травления чрезвычайно маленьких микросхем. Эта технология, позднее названная электронно-лучевой литографией, использовалась при создании кремниевых микрочипов. В середине 1950-х Шоулдерс пытался создать электронное устройство меньше 100 нм — даже мельче вируса и всего, что когда-либо делал человек. Амбиции Шоулдерса идеально совпадали с желанием Бака увеличить скорость криотронов за счет миниатюризации и создать из них крупномасштабные интегрированные массивы.
Они проработали вместе до середины 1958 года. Бак получил докторскую степень и должность доцента на кафедре электротехники МТИ, а Шоулдерс перешел в Стэнфордский исследовательский институт в Менло-Парке.
Подводя итог своему сотрудничеству, Бак и Шоулдерс представили доклад под названием «Подход к микроминиатюрным печатным системам». «Приближается тот день, когда цифровые компьютеры больше не будут производиться путем сборки тысяч индивидуально изготовленных деталей», — писали они. «Вместо этого весь компьютер или очень большая его часть, вероятно, будет изготавливаться единовременно».
Спустя всего пять месяцев после представления доклада Бак скоропостижно скончался. Последняя запись в его лабораторной записной книжке, датированная 18 мая 1959 года, описывает его попытку создать напыление из бора. 21 мая Бак умер от дыхательной недостаточности — ему только-только исполнилось 32 года.
Современники склонялись к тому, что причиной смерти стала вирусная пневмония. Однако вполне вероятно, что виной всему — его эксперименты с напылением. Как раз-таки 18 мая он работал с элементами, требующими особой осторожности. В качестве источника бора он использовал газообразный трихлорид бора. В процессе осаждения пленки образовался газообразный хлористый водород. Воздействие любого газа, не говоря уже смеси нескольких, может вызвать отек легких с симптомами, похожими на пневмонию. Если не считать общую программу университета, Бак не был профессиональным химиком и, возможно, не осознавал опасность. Или просто не имел достаточного стендового опыта, чтобы обращаться с этими газами безопасно. Так или иначе, для коллег смерть Бака стала трагедией.
Фрагмент доклада Бака 1956 года.
Исследования криотрона со смертью Бака не закончились. Активные работы продолжались до 1960-х годов. Манн, который работал над тонкопленочными криотронами в АНБ, устроился в лабораторию космических технологий TRW в Лос-Анджелесе. Там вплоть до 1966 года он занимался электронно-лучевой литографией для создания тонкопленочных криотронов. Сотрудники A.D. Little также продолжали разрабатывать криотронную память, пытаясь воплотить идею Бака.
GE, IBM и RCA в начале 1960-х годов разрабатывали микросхемы тонкопленочных криотронов, в частности, для создания памяти. К 1961 году исследователи GE построили рабочий интегрированный сдвиговый регистр из тонкопленочных криотронов. В сложности он не уступал кремниевым интегральным схемам того времени. А через два года криотронная микросхема GE превзошла кремниевые микрочипы по уровню интеграции. Ученые изготовили даже экспериментальный рабочий компьютер из трех массивов интегрированных криотронов.
Несмотря на все эти исследования, быстрое развитие кремниевых микрочипов — в частности, их удешевление — в 1960-х годах перекрыло прогресс в изучении криотронов. Новые компьютеры строились на кремниевых логических схемах с памятью на магнитных сердечниках. К середине 1960-х большинство исследователей криотронов окончательно переключили свое внимание на кремний.
Тем не менее, кто-то остался верен криотрону. Особый интерес для ученых представляли криотроны, в которых наблюдалось квантово-механическое явление, называемое эффектом Джозефсона. В начале 1970-х исследователи IBM создали модифицированные криотроны, известные как «джозефсоновские переходы». Исследования по ним продолжались до 1980-х годов. А джозефсоновские переходы до сих пор являются краеугольным камнем современных исследований IBM и других компаний в области квантовых вычислений.
Криотрон никуда не исчез. Он все еще живет — в разных обличиях и под разными именами — в длинной тени кремниевого микрочипа. И кто знает, чего бы добился Бак, проживи он дольше.
Это была история о том, как инженер, проживший совсем короткую жизнь, проложил путь к будущему. Да, изобретенная им технология не нашла повсеместного применения. Но исследования в области сверхпроводящих материалов продолжаются и по сей день. Полвека спустя человечеству удалось не только построить квантовые компьютеры, но и дать доступ к вычислениям на них как исследователям, так и любителям — благодаря облачным технологиям.
Например, Amazon Braket открывает доступ к квантовым вычислениям на трех суперкомпьютерах компаний Rigetti Computing, IonQ и D-Wave Systems. Microsoft запустила Azure Quantum, облачную экосистему с доступом к разнообразным квантовым ресурсам, включая аппаратные системы. Не стоит забывать и про IBM Quantum Experience, облачную платформу, которая позволяет подключиться к квантовому процессору IBM из любой точки мира.
