Скромные изобретения, которые обеспечивают работу нашего современного мира, были бы невозможны без десятилетий поддержки исследований на ранних стадиях.
В декабре 1947 года три физика из Bell Telephone Laboratories — Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн — создали компактное электронное устройство, используя тонкие золотые провода и германий, материал, известный как полупроводник. Их изобретение, позже названное транзистором (за которое они были удостоены Нобелевской премии в 1956 году), могло усиливать и коммутировать электрические сигналы, ознаменовав собой радикальный отход от громоздких и хрупких электронных ламп, которые до того времени служили источником питания для электроники.
Его изобретатели не гнались за каким-то конкретным продуктом. Они задавались фундаментальными вопросами о поведении электронов в полупроводниках, экспериментируя с поверхностными состояниями и подвижностью электронов в кристаллах германия. За месяцы проб и усовершенствований они объединили теоретические идеи квантовой механики с практическими экспериментами в области физики твёрдого тела — работа, которую многие могли бы счесть слишком базовой, академической или нерентабельной.
Их усилия достигли кульминации в момент, который теперь знаменует начало информационной эпохи. Транзисторы обычно не получают должного признания, однако именно они являются основой всех смартфонов, компьютеров, спутников, МРТ-сканеров, систем GPS и платформ искусственного интеллекта, используемых нами сегодня. Благодаря своей способности модулировать (и направлять) электрический ток с поразительной скоростью, транзисторы делают возможными современные и будущие вычисления и электронику.
Этот прорыв не стал результатом бизнес-плана или презентации продукта. Он стал результатом открытых, движимых любопытством исследований и стимулирующих разработок, поддержанных организацией, которая видела ценность в изучении неизведанного. Потребовались годы проб и ошибок, междисциплинарного сотрудничества и глубокой веры в то, что понимание природы — даже без гарантированной отдачи — стоит затраченных усилий.
После первой успешной демонстрации в конце 1947 года изобретение транзистора оставалось конфиденциальным, пока Bell Labs подавала патентные заявки и продолжала разработку. О нём было публично объявлено на пресс-конференции 30 июня 1948 года в Нью-Йорке. Научное обоснование было представлено в основополагающей статье, опубликованной в журнале Physical Review .
Как они работают? По сути, транзисторы состоят из полупроводников — таких материалов, как германий, а позднее и кремний, — которые могут проводить или препятствовать электрическому току в зависимости от тонкого изменения их структуры и заряда. В типичном транзисторе небольшое напряжение, приложенное к одной части устройства (затвору), либо пропускает, либо блокирует электрический ток через другую часть (канал). Именно этот простой механизм управления, масштабированный в миллиарды раз, позволяет вашему телефону запускать приложения, вашему ноутбуку отображать изображения, а вашей поисковой системе выдавать результаты за миллисекунды.
Хотя в ранних устройствах использовался германий, исследователи вскоре обнаружили, что кремний — более термостойкий, влагоустойчивый и гораздо более распространённый — лучше подходит для промышленного производства. К концу 1950-х годов начался переход на кремний, что сделало возможным создание интегральных схем и, в конечном итоге, микропроцессоров, лежащих в основе современного цифрового мира.
Современный чип размером с человеческий ноготь теперь содержит десятки миллиардов Кремниевые транзисторы, каждый из которых измеряется в нанометрах — меньше, чем многие вирусы. Эти крошечные переключатели включаются и выключаются миллиарды раз в секунду, управляя потоком электрических сигналов, участвующих в вычислениях, хранении данных, обработке аудио- и видеосигналов, а также в работе искусственного интеллекта. Они образуют фундаментальную инфраструктуру практически каждого цифрового устройства, используемого сегодня.
Связанная история
Зловещая долина сужается. Готовы ли мы к тому, что будет дальше?
Мировая полупроводниковая промышленность оценивается более чем в полтриллиона долларов. Устройства, которые начинались как экспериментальные прототипы в физических лабораториях, теперь лежат в основе экономики, национальной безопасности, здравоохранения, образования и глобальной коммуникации. Но история происхождения транзистора таит в себе более глубокий урок, который мы рискуем забыть.
Значительная часть фундаментальных знаний, продвинувших вперед технологию транзисторов, была получена в результате университетских исследований, финансируемых из федерального бюджета. Почти четверть исследований транзисторов в лабораториях Bell в 1950-х годах финансировалась федеральным правительством. Значительная часть оставшихся средств субсидировалась за счет доходов от монополии AT&T на телефонную систему США, которые направлялись в промышленные НИОКР.
Вдохновлённое докладом 1945 года «Наука: бесконечные горизонты», подготовленным Ванневаром Бушем по просьбе президента Трумэна, правительство США заложило давнюю традицию инвестирования в фундаментальные исследования. Эти инвестиции приносят стабильные дивиденды во многих научных областях — от ядерной энергетики до лазеров, от медицинских технологий до искусственного интеллекта. Прошедшие подготовку в области фундаментальных исследований, целые поколения студентов выходят из университетских лабораторий, обладая знаниями и навыками, необходимыми для того, чтобы вывести существующие технологии за пределы известных возможностей.
Тем не менее, финансирование фундаментальной науки и образования тех, кто может ею заниматься, находится под растущим давлением. Новый федеральный бюджет, предложенный Белым домом, предусматривает значительное сокращение финансирования Министерства энергетики и Национального научного фонда (хотя Конгресс может отклониться от этих рекомендаций). Национальные институты здравоохранения уже отменили или приостановили финансирование на сумму более 1,9 млрд долларов. в виде грантов, в то время как образовательные программы STEM NSF понесли убытки на сумму более 700 миллионов долларов США из-за закрытий.
Эти потери вынудили некоторые университеты заморозить приём аспирантов, отменить стажировки и сократить летние исследовательские возможности, что затрудняет молодым людям возможность заниматься научной и инженерной карьерой. В эпоху краткосрочных показателей и быстрой отдачи может быть сложно обосновать исследования, практическое применение которых может быть не реализовано десятилетиями. Но именно такие усилия мы должны поддерживать, если хотим обеспечить наше технологическое будущее.
Вспомним Джона Маккарти, математика и специалиста по информатике, который придумал термин «искусственный интеллект». В конце 1950-х годов, работая в Массачусетском технологическом институте, он возглавил одну из первых групп, занимающихся ИИ, и разработал Lisp — язык программирования, который до сих пор используется в научных вычислениях и приложениях ИИ. В то время практический ИИ казался чем-то далеким. Но эти ранние основополагающие работы заложили основу для современного мира, управляемого ИИ.
После первоначального энтузиазма 1950-х — 70-х годов интерес к нейронным сетям — ведущей архитектуре ИИ сегодня, вдохновленной человеческим мозгом, — пошел на спад во время так называемых «зим ИИ» конца 1990-х и начала 2000-х годов. Ограниченные данные, недостаточная вычислительная мощность и теоретические пробелы затрудняли прогресс в этой области. Тем не менее, такие исследователи, как Джеффри Хинтон и Джон Хопфилд, продолжали работать. Хопфилд, ныне лауреат Нобелевской премии по физике 2024 года, впервые представил свою новаторскую модель нейронной сети в 1982 году в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Его работа выявила глубокие связи между коллективными вычислениями и поведением неупорядоченных магнитных систем. Вместе с работой коллег, включая Хинтона, который был удостоен Нобелевской премии в том же году, это основополагающее исследование дало начало взрыву технологий глубокого обучения, который мы наблюдаем сегодня.
Одна из причин нынешнего расцвета нейронных сетей — графический процессор (GPU), изначально разработанный для игр, но теперь незаменимый для ресурсоёмких операций искусственного интеллекта. Эти чипы опираются на десятилетия фундаментальных исследований в области материаловедения и физики твёрдого тела: материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, деформированные кремниевые сплавы и другие достижения, позволяющие производить максимально эффективные транзисторы. Сейчас мы выходим на новый уровень, исследуя мемристоры, материалы с фазовым переходом, двумерные материалы и спинтронные устройства.
Если вы читаете это с телефона или ноутбука, вы держите в руках результат ставки, которую кто-то когда-то сделал, положившись на любопытство. Это же любопытство живо и сегодня в университетах и исследовательских лабораториях — зачастую в непопулярной, а порой и малоизвестной работе, тихо закладывающей основу для революций, которые проникнут в некоторые из самых важных аспектов нашей жизни через 50 лет. В ведущем физическом журнале, где я работаю редактором, мы с коллегами видим кропотливый труд и самоотверженность, лежащие в основе каждой статьи. Наша современная экономика — с такими гигантами, как Nvidia, Microsoft, Apple, Amazon и Alphabet — была бы немыслима без скромного транзистора и страсти к знаниям, питающей неустанное любопытство учёных, подобных тем, кто сделал её возможной.
Следующий транзистор может быть совсем не похож на переключатель. Он может появиться из новых типов материалов (например, квантовых, гибридных органо-неорганических или иерархических) или из инструментов, которые мы пока не можем себе представить. Но ему потребуются те же ингредиенты: прочные фундаментальные знания, ресурсы и свобода для поиска ответов на открытые вопросы, движимые любопытством, сотрудничеством и, что самое главное, финансовой поддержкой того, кто верит, что риск оправдан.
Джулия Р. Грир — материаловед Калифорнийского технологического института. Она является членом жюри конкурса «Новаторы до 35 лет» журнала MIT Technology Review и бывшим лауреатом этого конкурса (в 2008 году).
2025
Новаторы до 35 лет
Источник: www.technologyreview.com
