Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Иркутский государственный университет»

Н. К. ДУШУТИН, Ю. В. ЯСЮКЕВИЧ

ИЗ ИСТОРИИ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие

УДК 621.38(091)(075.8)
ББК 32.85г я73
Д86
Печатается по решению учебно-методической комиссии
физического факультета ИГУ
Издание выходит в рамках
Программы стратегического развития
ФГБОУ ВПО «ИГУ» на 2012–2016 гг.

Рецензенты:
проф. Л. А. Щербаченко,
канд. физ.-мат. наук Н. В. Ильин

Д86

Душутин Н. К.
Из истории электроники : учеб. пособие / Н. К. Душутин,
Ю. В. Ясюкевич. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2015. – 343 с.
ISBN 978-5-9624-1267-2
Рассмотрены история создания вакуумной, полупроводниковой и
квантовой электроники и области ее применения (радиосвязь, радиолокация, вычислительная техника). Пособие написано на основе курса
лекций «История и методология развития науки и техники в области
электроники» для направления 210100.68 «Электроника и наноэлектроника» (магистерская программа).
Предназначено для студентов старших курсов и аспирантов физических специальностей университетов.
УДК 621.38(091)(075.8)
ББК 32.85г я73

ISBN 978-5-9624-1267-2

© Душутин Н. К., Ясюкевич Ю. В., 2015
© ФГБОУ ВПО «ИГУ», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................ 5
Глава 1. Вакуумная электроника ................................................... 7
1.1. Термоэлектронная эмиссия ........................................................ 7
1.2. Электровакуумный диод и триод ............................................ 12
1.3. Развитие смежных областей..................................................... 21
1.3.1. Радиосвязь ....................................................................... 21
1.3.2. Радиовещание ................................................................. 26
1.3.3. Космическая радиосвязь ................................................ 29
1.3.4. Подземная и подводная радиосвязь.............................. 29
1.3.5. Мобильная связь............................................................. 30
1.3.6. Электроника СВЧ ........................................................... 36
1.3.7. Радиолокация .................................................................. 39
1.3.8. Радиоэлектронная борьба .............................................. 55
1.4. Лев Сергеевич Термен .............................................................. 60
Глава 2. Транзистор. Полупроводниковая электроника ........ 68
2.1. Полупроводниковая электроника ............................................ 68
2.2. p-n-переход – основа для полупроводниковой электроники..... 70
2.3. Транзистор ................................................................................. 75
2.3.1. Принцип действия биполярного транзистора.............. 89
2.3.2. Полевой транзистор ....................................................... 91
2.3.3. Гетероструктуры ............................................................ 93
2.3.4. p-n-p-n-приборы ........................................................... 110
2.3.5. Сверхвысокочастотные приборы ................................ 110
2.4. Графен ...................................................................................... 111
2.4.1. Графен вместо кремния ............................................... 115
2.4.2. Графеновая бумага ....................................................... 116
2.4.3. Физические свойства графена ..................................... 117
2.4.4. Получение графена ...................................................... 118
2.4.5. Дефекты ........................................................................ 121
2.4.7. Проводимость ............................................................... 121
2.4.8. Возможные применения графена................................ 122
2.4.9. Графан ........................................................................... 124
Глава 3. Вычислительная техника ............................................ 126
3.1. Ранние приспособления и устройства для счета .................. 126
3.2. Начало эры программирования ............................................. 128
3.3. Компьютеры с архитектурой фон Неймана .......................... 144
3.4. Компьютеры пятого поколения ............................................. 160
3

3.5. IBM............................................................................................168
3.6. Нанотехнологии в вычислительной технике.........................172
Глава 4. Отечественные ЭВМ в оборонных проектах ........... 175
4.1. Научный подвиг С. А. Лебедева .............................................178
4.2. ФГУП «Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева Российской академии наук» ............................189
4.3. Работы в области микроэлектронных технологий................199
4.4. Отечественный атомный проект ............................................207
4.5. Создание системы противоракетной обороны и суперЭВМ...... 219
4.6. ПРО и современное состояние вычислительных средств ....227
Глава 5. Лазеры и их применение ............................................. 229
5.1. Наиболее распространенные типы лазеров ..........................239
5.2. Лазерный термоядерный синтез ............................................254
5.3. Военное применение лазеров ................................................265
Глава 6. Оптоэлектронные системы ......................................... 292
6.1. Фотокатод .................................................................................292
6.2. Электровакуумный фотоэлемент ...........................................293
6.3. Фотоэлектронный умножитель ..............................................296
6.4. Электронно-оптический преобразователь .............................298
6.5. Волоконно-оптические линии связи ......................................303
6.6. ПЗС-матрица ............................................................................312
6.7. «Гигантская гребенка» ............................................................318
6.8. Светоизлучающие диоды ........................................................326
6.9. Фотонные кристаллы...............................................................334
Заключение .................................................................................... 339
Список использованной и рекомендуемой литературы ...... 341

4

ВВЕДЕНИЕ
Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в
первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась
элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах. Соответственно получила развитие вакуумная электроника.
Ее развитию способствовало также изобретение телевидения и радаров,
которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны.
Но электронные лампы обладали существенными недостатками.
Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность
(что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала
развиваться твердотельная электроника, а в качестве элементной базы
стали применять диоды и транзисторы.
Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров. Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки, а затем и микросхемы. Число
элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться
микропроцессоры. В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи, а также различных беспроводных
устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.
Основными вехами в развитии электроники можно считать:
 изобретение А. С. Поповым радио (7 мая 1895 г.) и начало использования радиоприемников;
 изобретение Ли де Форестом лампового триода, первого усилительного элемента;
 использование О. В. Лосевым полупроводникового элемента
для усиления и генерации электрических сигналов;
 развитие твердотельной электроники;
 использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы А. Ф. Иоффе, В. Шоттки);
 изобретение в 1947 г. транзистора (Уильям Шокли, Джон
Бардин и Уолтер Браттейн);
 создание интегральной микросхемы и последующее развитие
микроэлектроники, основной области современной электроники.
Основой современной электроники являются достижения в различных областях фундаментальных наук, в первую очередь в области
5

физики твердого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии.
В течение нескольких десятилетий повышение функциональной
сложности и быстродействия систем достигалось за счет увеличения
плотности размещения и уменьшения размера элементов. Однако
настало время, когда элементная база, основанная на использовании
разнообразных низкоразмерных структур, представляется наиболее
перспективной для электронной техники новых поколений. Так, при
переходе к системам нанометрового масштаба начинают проявляться
квантовые эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.), которые будут играть определяющую роль в функционировании приборов на их основе. Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени зависят от уровня развития технологий,
которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры
необходимой конфигурации и размерности, а также методов комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в
процессе изготовления и управление на его основе технологическими
процессами. Если открытие атомной энергии, создание транзистора и
лазера определили облик ХХ в., то развитие именно нанотехнологий,
по многим прогнозам, определит облик ХХI в.
Данное учебное пособие написано на основе курса лекций «История и методология развития науки и техники в области электроники» для направления 210100.68 «Электроника и наноэлектроника»
(магистерская программа) и предназначено для студентов и аспирантов физических специальностей университетов. Надеемся, что оно
также окажется полезным для преподавателей средних и высших
учебных заведений, учащимся старших классов.

6

Глава 1

ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Основанием электроники можно считать открытие в 1874 г.
немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл–полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято
считать 7 мая 1895 г., когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал
первое радиосообщение на расстояние 350 м. Успехи электроники в
этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии.
Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью
упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных
колебаний – детекторов.

1.1. Термоэлектронная эмиссия
Вторым весьма важным явлением, лежащим в основе действия
многих электровакуумных и газоразрядных приборов и устройств,
является термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронная эмиссия,
называемая также эффектом Ричардсона, представляет собой испускание электронов нагретыми телами (твердыми, реже – жидкостями) в
вакуум или в различные среды. Термоэлектронная эмиссия была открыта Т. А. Эдисоном (1883), объяснена (как испускание электронов)
Дж. Дж. Томсоном (1899), теория разработана О. У. Ричардсоном
(классическая в 1901 г., квантовая в 1920 г., причем различие между
классической и квантовой состоит лишь в степени температуры в
предэкспоненциальном множителе в формуле для тока насыщения).
Термоэлектронную эмиссию можно рассматривать как процесс испарения электронов в результате их теплового возбуждения. Для выхода
за пределы тела (эмиттера) электронам нужно преодолеть потенциальный барьер у границы тела; при низких температурах тела количество электронов, обладающих достаточной для этого энергией, мало; с
7

увеличением температуры их число растет и термоэлектронная эмиссия возрастает.
Главной характеристикой тел по отношению к термоэлектронной
эмиссии является величина плотности термоэлектронного тока насыщения j0 (рис. 1.1) при заданной температуре. При термоэлектронной
эмиссии в вакуум однородных (по отношению к работе выхода) эмиттеров в отсутствии внешних электрических полей величина j0 определяется формулой Ричардсона – Дэшмана:
j0 = AT2(1–r) exp[–eφ(T)/kT].

(1.1)

Здесь А – постоянная эмиттера (для металлов в модели свободных электронов Зоммерфельда: А = А0 = 4πek2m/h3 = 120,4 а/К2см2, где
е – заряд электрона; m – его масса; k – постоянная Больцмана; h – постоянная Планка; Т – температура эмиттера, К; r – средний для термоэлектронов разных энергий коэффициент отражения от потенциального барьера на границе эмиттера; eφ – работа выхода. Испускаемые
электроны имеют распределение Максвелла начальных скоростей,
соответствующее температуре эмиттера.

Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика вакуумного диода
с термоэлектронным катодом при заданной температуре

При термоэлектронной эмиссии в вакуум электроны образуют у
поверхности эмиттера объемный заряд, электрическое поле которого
задерживает электроны с малыми начальными скоростями. Поэтому
для получения тока насыщения между эмиттером (катодом) и коллектором электронов (анодом) создают электрическое поле, компенсирующее поле объемного заряда. На рис. 1.1 показан вид вольтамперной
характеристики вакуумного диода с термоэлектронным катодом.
Плотность тока насыщения j0 достигается при разности потенциалов
V0, величина которой определяется формулой Ленгмюра. При V < V0
ток ограничен полем объемного заряда у поверхности эмиттера. Слабое увеличение j при V > V0 связано с Шоттки-эффектом. Термоэлектронный ток может протекать и в отсутствие внешних ЭДС. Это ука8

зывает на возможность создания вакуумных термоэлектронных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Во внешних электрических полях с напряженностью Е ≈ 106…107 В/см к термоэлектронной эмиссии добавляется туннельная эмиссия и термоэлектронная
эмиссия переходит в термоавтоэлектронную эмиссию.
Величину j для металлов и собственных полупроводников можно
считать линейно зависящей от Т в узких интервалах температур DT
вблизи выбранного T0: j(T) = j(T0) + a(T– T0), где a – температурный
коэффициент j в рассматриваемом интервале температур DT. В этом
случае формула Ричардсона – Дэшмана может быть написана в виде
j0 = ApT2ехр (–еφр/кТ),

(1.2)

где Ap = А(1 – r)ехр (–ea/k) называется ричардсоновской постоянной
эмиттера (однородного по отношению к работе выхода); еφр = φ(Т0) – aT0;
еφ0 называется ричардсоновской работой выхода. Так как в интервале
температур от Т = 0 до Т = Т0 a не сохраняет постоянной величины, то
ричардсоновская работа выхода отличается от истинной работы выхода электронов при температуре Т = 0 К. Величины Ap и еφр находят по
прямолинейным графикам зависимости: In(j0/T2) = f(1/T) (графикам
Ричардсона). У примесных полупроводников зависимость j(T) более
сложная и формула для j0 отличается от вышеприведенной.
Чтобы исключить входящие в формулу Ричардсона – Дэшмана
неизвестные для большинства эмиттеров величины А и r, зависящие не
только от материала эмиттера, но и от состояния его поверхности
(определяются экспериментально), формулу приводят к виду
j = A0T2exp [–eφпт(Т)/кТ].

(1.3)

Работа выхода еφпт(Т) мало отличается по величине от истинной
работы выхода эмиттера eφ (T), но легко определяется по измеренным
величинам j0 и Т; ее называют работой выхода по полному току эмиссии. Величина еφпт (Т) является единственной характеристикой термоэмиссионных свойств эмиттера, и ее знания достаточно для нахождения j0(T).
Однородными по плотности тока j эмиттерами являются грани
идеальных монокристаллов, как чистые, так и покрытые однородными
пленками другого вещества. Большинство употребляемых в практике
эмиттеров не однородны, а состоят из «пятен» с различными φ (эмиттеры поликристаллического строения; со структурными дефектами;
двухфазные пленочные и др.). Контактные разности потенциалов
между пятнами приводят к появлению над эмиттирующей поверхностью контактных полей пятен. Эти поля создают дополнительные барьеры для эмиссии электронов с пятен, где работа выхода меньше, чем
9

средняя по поверхности, и вызывают аномальный эффект Шоттки.
Для описания термоэлектронной эмиссии неоднородных эмиттеров в
формулу Ричардсона – Дэшмана вводят усредненные эмиссионные
характеристики.
Для получения токов больших плотностей, постоянных во времени, требуются эмиттеры с малыми φ и с большими теплотами испарения материала; в ряде случаев к термоэлектронным эмиттерам
предъявляются специальные требования (химическая пассивность,
коррозионная стойкость и др.). Высокой термоэмиссионной способностью обладают так называемые оксидные катоды (оксиднобариевые,
оксидноториевые, гексабориды щелочноземельных и редкоземельных
металлов и др.) и некоторые металлопленочные катоды (например,
тугоплавкие металлы с пленкой щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов). Катоды данного типа были запатентованы
У. Шокли, который под давлением электронных корпораций был вынужден продать патент за весьма низкую цену.
Термоэлектронный катод должен быть долговечным и обеспечивать устойчивую (стабильную) эмиссию при возможно меньших затратах энергии на накал. Поверхность катода не должна разрушаться
от ионной бомбардировки. Даже в высоком вакууме имеется некоторое число положительных ионов. Они ускоренно летят к катоду. Чем выше анодное напряжение, тем с большей силой ионы ударяют в катод.
Экономичность катода характеризуется его эффективностью.
Она показывает, какой ток эмиссии можно получить на 1 Вт мощности
накала. У современных катодов в режиме непрерывной работы эффективность может быть от единиц до сотен миллиампер на ватт.
Рабочая температура у разных катодов примерно от 700 до 2 300 °С.
Долговечность катода определяется сроком, по истечении которого
выход электронов уменьшается на 10 %. Катоды имеют долговечность
от сотен до десятков тысяч часов.
При увеличении рабочей температуры повышается эффективность, и поэтому для усиления эмиссии иногда несколько повышают
накал, но при этом сокращается долговечность.
Простые катоды, т. е. катоды из чистых металлов, делаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и имеют прямой
накал. Рабочая температура вольфрамовых катодов 2 100–2 300 °С,
что соответствует накалу до светло-желтого или белого цвета. Долговечность этих катодов определяется ослаблением эмиссии из-за
уменьшения толщины катода вследствие распыления вольфрама.
Достоинство вольфрамового катода – устойчивость эмиссии. После временного перекала она не уменьшается. Стойкость вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно пригодным
10

для мощных ламп, работающих с высокими анодными напряжениями.
Катоды из вольфрама применяются также в специальных электрометрических лампах, в которых важна стабильность эмиссии. Основной
недостаток вольфрамового катода – низкая эффективность (единицы
миллиампер на ватт). Вследствие высокой температуры интенсивно
испускаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала.
У многих типов сложных катодов на поверхность чистого металла наносится активирующий слой, который обеспечивает интенсивную эмиссию при сравнительно невысоких температурах.
Достоинство сложных катодов – экономичность. Они обладают
эффективностью до десятков и даже сотен миллиампер на ватт. Рабочая температура у некоторых катодов составляет 700 °С. Долговечность достигает тысяч и десятков тысяч часов. К концу этого срока
снижается выход электронов из-за уменьшения количества активирующих примесей (например, за счет их испарения). Некоторые сложные катоды обеспечивают сверхвысокую эмиссию в импульсном режиме, т. е. в течение коротких (единицы микросекунд) промежутков
времени, разделенных значительно более длительными паузами.
Основной недостаток сложных катодов – невысокая устойчивость эмиссии. Выход электронов снижается от временного перекала,
что объясняется испарением активирующих веществ при повышенной
температуре. Кроме того, сложные катоды разрушаются от ионной бомбардировки, поэтому в лампах важно поддерживать высокий вакуум. Это
достигается применением специального газопоглотителя (геттера).
Сложные катоды могут быть пленочными или полупроводниковыми. К первым относится, например, торированный карбидированный катод. Он представляет собой вольфрамовую проволочку с пленкой тория и с примесью углерода. Активный слой этих катодов трудно
разрушить ионной бомбардировкой. Их применяют при анодных
напряжениях до 15 кВ.
К полупроводниковым относится оксидный катод. В нем на основание из никеля или вольфрама наносится смесь оксидов щелочноземельных металлов – бария, кальция и стронция. У оксидного катода
электронная эмиссия происходит главным образом из атомов бария.
Перекал катода усиливает испарение бария и снижает выход электронов. Долговечность оксидного катода определяется тем, что оксидный
слой постепенно обедняется атомами бария. Для хорошей работы оксидного катода очень важен высокий вакуум, так как оксидный слой
разрушается от ионной бомбардировки. Во избежание чрезмерной
ионной бомбардировки нельзя допускать слишком высокое анодное
напряжение при работе катода в непрерывном режиме.
11

1.2. Электровакуумный диод и триод
Новый этап развития электроники начался с 1904 г., когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод.
Основными частями диода являются два электрода, находящиеся в
вакууме. Металлический анод и металлический катод, нагреваемый
электрическим током до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия. При высоком вакууме разряжение газа между
электродами таково, что длина свободного пробега электронов значительно превосходит расстояние между электродами, поэтому при положительном относительно катода напряжении на аноде Va электроны
движутся к аноду, вызывая ток Ia в анодной цепи. При отрицательном
напряжении анода Va эмитируемые электроны возвращаются на катод
и ток в анодной цепи равен нулю. Таким образом, электровакуумный
диод обладает односторонней проводимостью, что используется при
выпрямлении переменного тока.

***
Сэр Джон Амброз Флеминг (англ. Sir John Ambrose Fleming; 29 ноября 1849, Ланкастер – 18 апреля
1945, Сидмут) – английский ученый в области радиотехники и электротехники, член Лондонского королевского общества (1892). Известен как изобретатель
лампы с термокатодом – первой электронной лампы,
названной кенотроном или диодом, в 1904 г. Он также
предложил мнемоническое правило правой руки, используемое в математике и электронике. Был старшим из семи сыновей священника-конгрегационалиста
Джеймса Флеминга (умер в 1879 г.) и его жены Мари
Энн и крещен 11 февраля 1850 г. Он был набожным
христианином и однажды проповедовал в храме Святого Мартина в Лондоне на тему доказательства воскресения. В 1932 г. вместе с Дугласом Дьюаром и Бернаром Аквортом он помогал в
организации «Движения против эволюции». Не имея детей, Флеминг завещал большую часть своей недвижимости христианским благотворительным организациям,
особенно тем, которые помогали бедным. Он был хорошим фотографом, писал
акварели, принимал участие в восхождениях в Альпах.
Амброз Флеминг родился в Ланкастере, получил образование в школе и
Университетском колледже Лондона. Он выиграл стипендию колледжа Святого
Иоанна в Кембридже в 1877 г. и посещал лекции в нескольких университетах,
включая Университет Кембриджа, Университет Ноттингема и Университетский
колледж Лондона, где он стал позднее первым профессором электротехники.
Он был также консультантом Компании беспроводной телеграфии Маркони,
компании Swan, компании Ferranti, компании «Телефон» Эдисона, и позднее
«Компании электрического света» Эдисона. В 1892 г. Флеминг представил важную работу по теории электрических трансформаторов для Института инженеров по электротехнике в Лондоне.
Флеминг стал посещать частную школу в возрасте около десяти лет. Любимым предметом была геометрия. До этого мать занималась с ним, и он знал почти
наизусть книгу под названием «Руководство к знаниям для детей» – популярную

12

книгу для ежедневного чтения. Даже будучи взрослым, он цитировал ее. Его
школьное образование продолжилось в университетском колледже, где он преуспевал в математике, но по латыни обычно был среди самых последних в классе.
Еще ребенком он постепенно становился инженером. В 11 лет он имел собственную мастерскую, где строил модели катеров и двигателей. Он даже построил свой
собственный фотоаппарат, пронеся интерес к фотографии через всю жизнь. Возможность стать инженером была за пределами финансовых ресурсов семьи, но
он достиг своей цели путем чередования обучения с оплачиваемой работой.
В 1870 г. Флеминг получил степень бакалавра в университетском колледже и стал студентом химического факультета Королевского научного колледжа
в Лондоне (в настоящее время Имперский колледж). Здесь он впервые изучил
устройство батареи Алессандро Вольта, которая стала темой его первой научной работы. Это была первая работа, доложенная в новом Физическом обществе Лондона (ныне Институт физики), а затем она была опубликована на страницах его трудов. Финансовые проблемы вновь заставили его работать, и летом
1875 г. он стал научным сотрудником в общественной школе, зарабатывая 400
фунтов в год. Его собственные научные исследования продолжались, началась
переписка с Джеймсом Максвеллом из Кембриджского университета. Накопив
400 фунтов и получив грант на 50 фунтов в год, Флеминг в октябре 1877 г. в
возрасте 27 лет вновь стал студентом, на этот раз в Кембридже. Он признавал,
что лекции Максвелла были трудны для его понимания. Максвелл, по его словам,
зачастую предпочитал парадоксальный и иносказательный способ выражения
мыслей. Со временем Флеминг стал посещать только эти лекции. По окончании
обучения он снова получил степень в области физики и химии, на этот раз степень
Почетного Первого Класса. Вскоре он получил степень доктора, затем служил
один год в Кембриджском университете в качестве демонстратора по прикладной
механике до назначения на должность первого профессора физики и математики
в Университете Ноттингема, которую он оставил менее чем через год.
В ноябре 1904 г. ученый изобрел выпрямитель на двухэлектродной электронной лампе, который он назвал осцилляторный вентиль. Позднее он запатентовал свое изобретение. Изобретение носит также названия: лампа с термокатодом, вакуумный диод, кенотрон, термоионная лампа, вентиль Флеминга.
Верховный суд Соединенных Штатов позднее признал патент недействительным вследствие неприемлемых ограничений, и, кроме того, по причине того, что
на момент подачи заявки предложенные технологии уже были известны. Такого
рода изобретения, содержащие вакуумные лампы, рассматривались на заре
электроники. Тем не менее диоды Флеминга использовались в радиоприемниках и радарах в течение многих лет, и только через 50 с лишним лет они были
заменены твердотельными приборами. В 1906 г. американец Ли де Форест добавил в электронную лампу управляющую «сетку» и создал радиочастотный
детектор, названный аудион, но Флеминг обвинил его в копировании своих идей.
Прибор де Фореста был вскоре доработан им и Эдвином Армстронгом и применен в первом электронном усилителе, а сама лампа названа триодом. Триод
имел очень большое значение в деле создания дальней телефонной и радиосвязи, радаров и первых электронных цифровых вычислительных машин (уже
существовавшие механические и электромеханические вычислители использовали другие технологии). Флеминг внес также вклад в области фотометрии,
электроники, беспроводной связи (радио), и электрических измерений. Он получил титул сэра в 1929 г. Умер в своем доме в Сидмуте в 1945 г. Его вклад в развитие электронных коммуникаций и радары имел огромное значение для победы во Второй мировой войне. Флеминг был удостоен Медали почета IRE в 1933 г.
за «заметную роль, которую он сыграл в деле внедрения физических и инженерных
принципов в радиотехнике».

13

11 июня 1887 г. Флеминг женился на Кларе Рипли (1856–1917), дочери
Вальтера Пратта, адвоката из г. Бас. 27 июля 1928 г. его второй женой стала
молодая популярная певица Оливье Франкс (р. 1898), дочь Георгия Франкса,
кардиффского бизнесмена.

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что,
поместив между катодом и анодом металлическую сетку и подавая на
нее напряжение VC, можно управлять анодным током IA практически
безынерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая
электронная усилительная лампа – триод. Ее свойства как прибора для
усиления и генерирования высокочастотных колебаний обусловили
быстрое развитие радиосвязи.

***
Ли де Форест (англ. Lee De Forest; 26 августа
1873, Каунсил-Блафс, штат Айова – 30 июня 1961,
Голливуд, штат Калифорния, США) – американский
изобретатель, имеющий на своем счету 180 патентов на изобретения. Де Форест изобрел триод –
электронную лампу, которая принимает на входе
относительно слабый электрический сигнал и затем
усиливает его. Он является одним из отцов «века
электроники», потому что триод помог открыть дорогу широкому использованию электроники. Он
участвовал в нескольких судебных процессах по
патентным делам и потратил целое состояние, полученное от своих изобретений, на оплату счетов
адвокатов. Его именем названа самая узкая (ширина около трех футов) улица Лос-Анджелеса. Он женился четыре раза, несколько
раз обанкротился, был обманут партнерами по бизнесу, однажды был обвинен в
мошенничестве с использованием почты, но потом оправдан. Он состоял почетным членом Института радиоинженеров – одного из двух предшественников
IEEE (другой – американский Институт инженеров по электротехнике). Награжден Медалью почета IEEE (1922) и медалью Эдисона (1946).
Ли де Форест родился в Каунсил-Блафс, штат Айова, в семье Генри
Свифта де Форест и Анны Роббинс.
Его отец был священником-конгрегационалистом и надеялся, что сын
пойдет по его стопам. Отец согласился занять пост директора колледжа Талладега, традиционно афроамериканской школы в г. Талладега, штат Алабама, где
Ли провел большую часть своей молодости. Большинство жителей из белой
общины были возмущены усилиями отца в деле просвещения черных студентов. Ли де Форест имел несколько друзей среди афроамериканских детей. Он
поступил в школу Маунт Хермон, затем в 1893 г. записался в Научную школу
Шеффилда при Йельском университете. Как любознательный изобретатель, он
проник однажды вечером в систему электроснабжения и полностью обесточил
весь университет, что привело к отстранению его от занятий. Тем не менее в
конечном итоге ему разрешили завершить обучение. Плату за свое обучение он
частично покрывал доходами от изобретений в механике и играх. В 1896 г. он,
получив степень бакалавра, принимает решение остаться в Йеле в аспирантуре.

14

Важную роль в выборе ученого, в обретении им индивидуального направления изысканий и нахождении путей к их осуществлению, сыграли лекции
Дж. У. Гиббса, которые он посещал в течение трех лет. Первый курс дался с
трудом, содержание казалось Ли де Форесту совершенно абстрактным, а векторный анализ – неприменимым для решения физических задач. Вместе с тем в
своем дневнике он писал: «...математика у Кларка, Пирпонта и Гиббса. Последний – великий человек, с которым я хочу быть вместе столько же из-за его характера, сколько из-за лекций и мыслей. Написал Тесле, просил совета; он поздравляет меня с тем, что Гиббс уделяет мне внимание. Я сказал Гиббсу, что я
и Тесла задумали» [45].
Второй год занятий у Дж. У. Гиббса был посвящен теории электричества и
магнетизма – в понимании своих интересов у аспиранта появляется конкретность, он находит в занятиях математикой величайшую практическую ценность,
дающую также и полноценное проникновение в развитие хода мыслей
Дж. Максвелла, – он надеется благодаря этим лекциям приблизиться к возможности такого же глубокого понимания световых и волновых явлений – к созданию более полной теории колебаний и волн, к передаче с их помощью знаний и
энергии. Он принимает решение остаться еще на один курс, что в дальнейшем
сам будет расценивать как одно из важнейших в своей жизни. И хоть работа над
диссертацией на соискание докторской степени, которую он получил в 1899 г.,
носила экспериментальный характер и, будучи посвящена распространению
электромагнитных волн вдоль проводов, осуществлялась под руководством
Райта, позднее де Форест напишет: «Я и сейчас помню мою бурную радость,
когда великий учитель вошел в мою подвальную лабораторию, где я в общих
чертах изложил ему свою работу».
Интересы Фореста к беспроводной телеграфии привели его к изобретению триода (аудиона) в 1906 г., и на его основе он разработал более совершенный приемник для беспроводного телеграфа. В это время он был членом профессорско-преподавательского состава Арморовского технологического института, в настоящее время это часть Иллинойского технологического института.
Сначала он подал патент на двухэлектродное устройство для обнаружения
электромагнитных волн, вариант вентиля Флеминга, изобретенного двумя годами ранее. Новшество де Фореста состояло в том, что он применил диод для
обработки сигнала, а вентиль Флеминга использовался в силовых цепях. Аудион
имеет уже три электрода: анод, катод и управляющую сетку, что позволяет ему
не только детектировать, но и усиливать принятый радиосигнал.
В 1904 г. передатчик и приемник Де Фореста, первые в своем роде, были
установлены на борту парохода «Хаймун», зафрахтованного газетой «Таймс».
Де Форест, однако, неправильно понимал принципы работы своего изобретения. Он утверждал, что работа устройства основана на потоке ионов, который создается в газе, и предупреждал, что нельзя откачивать газ, создавая в
лампе вакуум. Поэтому его первые прототипы аудиона никогда не давали хорошего усиления. Другой американский изобретатель, Эдвин Армстронг, первым
корректно объяснил работу аудиона, а также усовершенствовал его таким образом, что он реально стал давать усиление сигнала.
18 июля 1907 г. де Форест сделал первое сообщение «корабль – берег» с
паровой яхты Тельма. Сообщение обеспечило быструю передачу точных результатов ежегодной парусной регаты Межозерной ассоциации яхтсменов. Сообщение было принято его ассистентом Франком Бутлером в Монровилле, штат
Огайо, в павильоне Фокс Док, расположенном на острове Южный Басс на озере
Эри. Форесту не нравился термин «беспроводной», и он выбрал и ввел новое
название «радио».

15

Де Форест изобрел аудион в 1906 г., доработав диодный детектор на вакуумной лампе, незадолго до того изобретенный Джоном Флемингом. В январе
1907 г. он подал патентную заявку на аудион, а в феврале 1908 г. получил патент США номер 879532. Устройство назвали лампой де Фореста, а с 1919 г.
стали называть триодом. Новизна Фореста по сравнению с ранее изобретенным
диодом заключалась в том, что он ввел третий электрод – сетку, между катодом
(нитью накала) и анодом. В результате триод, или трехэлектродная вакуумная
лампа, мог служить усилителем электрических сигналов или, что не менее важно, в качестве быстрого (для своего времени) электронного переключательного
элемента, т. е. мог применяться в цифровой электронике (компьютерах). Триод
имел большое значение в разработке протяженных трансконтинентальных линий телефонной связи, в радарах и других радиоустройствах и был важнейшим
изобретением в электронике в первой половине XX века, начиная от появления
радио в 1890-х гг. трудами Николы Теслы, Александра Попова, Гульельмо Маркони и вплоть до изобретения транзистора в 1948 г.
Один из основателей квантовой механики Луи де Бройль скажет в 1956 г.:
«Это великое открытие сослужило службу не только технике. И не только, подчеркнем это, анализу работы устройств такого рода, не только все более глубокому изучению динамики электронов. Оно оказало неоценимую услугу электронике как науке и значительно способствовало ее развитию; кроме того, оно
предоставило всем работникам лабораторий во всех отраслях науки приборы,
ставшие сегодня необходимыми вспомогательными средствами в их исследованиях. Таким образом, это великое изобретение, независимо от его бесчисленных технических применений, стало одним из крупнейших факторов прогресса
чистой науки в течение последнего полувека. Сказанного, на мой взгляд, достаточно, для того чтобы понять, почему не только инженеры и техники, но также
физики и специалисты всех отраслей науки должны сегодня все вместе выразить Ли де Форесту свое почтение, а также свою признательность и свое восхищение» [25].
Форесту приписывают рождение общественного радиовещания, после того, как 12 января 1910 г. он провел экспериментальное вещание части живого
исполнения оперы «Тоска», а на следующий день – спектакля с участием итальянского тенора Энрико Карузо со сцены в театре «Метрополитен-опера» в
Нью-Йорке. В 1910 г. Форест переехал в Сан-Франциско на работу в Федеральной телеграфной компании, которая в 1912 г. начала разработку первой глобальной системы радиосвязи.
В 1913 г. Генеральный прокурор Соединенных Штатов предъявил иск де
Форесту в мошенничестве, заявив от имени его акционеров, что его заявка на
принцип регенерации является «абсурдным» обещанием (позднее он был
оправдан). Не имея средств платить по счетам адвокатов, Форест продал свой
патент на триод компаниям AT&T и Bell Laboratories в 1913 г. за 50 тыс. долл.
Форест подал еще одну заявку на изобретение метода регенерации в
1916 г., что стало причиной продолжительной судебной тяжбы с плодовитым
изобретателем Эдвином Армстронгом, чья заявка на этот же метод была подана на два года раньше. Тяжба длилась двенадцать лет, пройдя извилистыми
путями через апелляционные процессы и дойдя в конечном итоге до Верховного
Суда. Верховный Суд вынес решение в пользу Фореста, хотя многие историки
считают это решение ошибочным.
В 1916 г. на радиостанции 2XG в Нью-Йорке Форест сделал по радио
первую рекламу (своей продукции), а также первый радиорепортаж с президентских выборов Вудро Вильсона. Спустя несколько месяцев Форест перенес
свой ламповый передатчик на мост High Bridge в Нью-Йорке. Подобно Чарльзу
Герольду из Сан-Хосе, штат Калифорния, который вел радиовещание с 1909

16

года, Форест получил лицензию на экспериментальное радиовещание от департамента торговли, но, как и Герольд, прекратил радиовещание в апреле 1917 г.,
когда США вступили в Первую мировую войну.
В 1919 г. Форест подал свой первый патент на процесс озвучивания
фильмов, в котором усовершенствовал разработку финского изобретателя Эрика Тигерштедта и немецкой компании Tri-Ergon, и назвал этот процесс «Фонофильм Фореста». В «Фонофильме» звук записывается непосредственно на
пленку в виде параллельных линий различных оттенков серого цвета. Позже
такой метод стал известен как метод «переменной плотности» в отличие от
метода «переменной площади» в системе «Фотофон», разработанной в RCA.
Эти линии кодируют электрические сигналы от микрофона и наносятся фотографическим способом на пленку, а во время демонстрации фильма переводятся обратно в звуковые волны.
В ноябре 1922 г. Форест организовал в Нью-Йорке свою компанию «Фонофильм», но ни одна из голливудских студий не выразила никакого интереса к
его изобретению. Тогда Форест создал 18 коротких звуковых фильмов и 23 апреля 1923 г. организовал их показ в театре «Риволи» в Нью-Йорке. Он был вынужден показывать свои фильмы в независимом театре Риволи, так как Голливуд контролировал все крупные театральные сети. Форест выбрал для премьеры короткие водевили, чтобы Голливуд не успел его опередить. Макс и Дэйв
Флейшеры использовали процесс «Фонофильм» в своем музыкальном трюковом мультсериале «Вслед за грохочущим шаром» начиная с мая 1924 г. Форест
работал вместе с Фриманом Оуэнсом и Теодором Кейсом, совершенствуя систему «Фонофильм». Однако они потерпели неудачу. Кейс передал их патенты
владельцу студии Fox Film Corporation Вильяму Фоксу, который затем усовершенствовал собственный процесс озвучивания «Мувитон». В сентябре 1926 г.
компания «Фонофильм» подала документы на банкротство. Голливуд к тому
времени внедрил новый метод озвучивания «Витафон», разработанный компанией Warner Brothers, и выпустил 6 августа 1926 г. звуковой фильм «Дон-Жуан»
с Джоном Бэрримором в главной роли.
В 1927–1928 гг. Голливуд начал использовать для озвучивания фильмов
системы «Мувитон» Фокса и «Фотофон» RCA. Между тем владелец сети кинотеатров Великобритании Шлезингер приобрел права на «Фонофильм» и с сентября 1926 г. по май 1929 г. выпускал короткометражные музыкальные фильмы
британских исполнителей. Почти 200 фильмов было сделано с использованием
метода «Фонофильм», многие из которых хранятся в коллекции Библиотеки
Конгресса США и Британского института кинематографии.
В 1931 г. Форест продал одну из своих производственных радиофирм
фирме RCA. В 1934 г. суд поддержал Фореста в иске против Эдвина Армстронга
(хотя техническое сообщество не согласно с судом). Форест выиграл битву в
суде, но проиграл в лице общественного мнения. Его современники перестали
принимать его всерьез как изобретателя, доверять ему как коллеге.
В 1940 г. он направил известное открытое письмо Национальной ассоциации телерадиовещателей: «Что вы сделали с моим ребенком, радиовещанием?
Вы унизили этого ребенка, одели его в нелепые лохмотья из регтайма, клочья из
джаза и буги-вуги» [58]. Первоначально отклоненный метод озвучивания фильмов
Фореста позднее был принят, и Форест получил премию Академии киноискусства
(«Оскар») в 1960 г. за «свои новаторские изобретения, которые привнесли звук в
движущиеся картинки», а также звезду на голливудской Аллее славы.
Форест был гостем среди знаменитостей в телевизионном шоу «Это твоя
жизнь» 22 мая 1957 г. и представлен как «отец радио и дедушка телевидения» [58].
Ли де Форест умер в Голливуде в 1961 г. и погребен на кладбище Миссии
Сан-Фернандо в Лос-Анджелесе, штат Калифорния.

17

Именем Ли де Фореста названа самая узкая улица Лос-Анджелеса, шириной менее двух метров. В Пало-Альто, штат Калифорния, установлен Калифорнийский исторический памятный знак № 386 с бронзовой табличкой, на которой
написано, что на этом самом месте находилась исследовательская лаборатория
электроники, в которой работал изобретатель триода Ли де Форест. В 1970 г.
Международный астрономический союз присвоил имя Ли де Фореста кратеру на
обратной стороне Луны.
В 1922 г. Форест получил Медаль почета IRE за «изобретение трехэлектродной лампы и признание его большого вклада в радио». В 1946 г. он
награжден Медалью Эдисона Американского института инженеров по электротехнике «За глубокие технические и социальные последствия, связанные с появлением электронной лампы с управляющей сеткой, которую он изобрел».
Одной из важнейших ежегодных медалей, присуждаемых инженерам Институтом инженеров электротехники и электроники, является медаль Ли де Фореста.
У Ли де Фореста было четыре жены.
Люсиль Шердаун с февраля 1906 г. Развелись в том же году.
Нора Стэнтон Блатч Барни (1883–1911) с февраля 1907 г. Родила дочь,
Харриет, но к 1911 г. они развелись.
Мэри Майо (1892–1921) с декабря 1912 г. Родила дочь Дину (Элеонору)
Де Форест (1919– ?).
Мария Москини (1899–1983) с октября 1930 г. Москини была актрисой
немого кино, с ней он прожил в браке вплоть до своей смерти в 1961 г.
Форест давал всеохватывающие предсказания, многие из которых не подтвердились, но некоторые оказались корректными, в том числе прогноз использования ультракоротких волн для связи и приготовления пищи [58].
1926: «Хотя теоретически и технически телевидение может быть осуществимо, коммерчески и финансово это невозможно».
1926: «Поместить человека в многоступенчатую ракету, переместить в гравитационное поле Луны, где пассажиры смогут делать научные наблюдения, сесть на
Луну, а затем вернуться на Землю – все это представляет собой дикий сон, достойный Жюля Верна. Я смело могу сказать, что такие антропогенные рейсы никогда не
будут происходить, независимо ни от каких будущих достижений» [58].
1952: «Я предвижу большие усовершенствования в области короткоимпульсных СВЧ-сигналов, благодаря чему несколько одновременных программ
смогут последовательно друг за другом занимать один и тот же канал, с невероятно быстротой обеспечивая электронную связь. Короткие волны будут широко
использоваться на кухне для быстрой жарки и выпечки».
1952: «Я не предвижу «космических кораблей» на Луне или Марсе.
Смертные должны жить и умирать на Земле или в ее атмосфере!»
1952: «Транзистор будет все больше и больше дополнять аудион, но не заменять. Его частота ограничена несколькими сотнями килогерц, а его жесткие ограничения по мощности никогда не позволят ему заменить аудионы в усилителях».
«Я пришел, я увидел, я изобрел – это так просто, не надо сидеть и думать,
все это в вашем воображении».
Племянник Фореста, актер Калверт де Форест, стал знаменит в мире радиовещания по другим причинам через 75 лет после изобретения аудиона своим дядей. Калверт де Форест на протяжении двух десятилетий играет комедийный образ «крошки Ларри Меллмана» в полуночных телевизионных программах
Дэвида Леттермана.

18

Если плотность газа, наполняющего баллон, настолько высока,
что длина свободного пробега электронов оказывается меньше расстояния между электродами, то электронный поток, проходя через межэлектродное расстояние, взаимодействует с газовой средой, в результате чего свойства среды резко изменяются. Газовая среда ионизируется и переходит в состояние плазмы, характеризующееся высокой
электропроводностью. Это свойство плазмы было использовано американским ученым Хеллом в разработанном им в 1905 г. газотроне –
мощном выпрямительном диоде, наполненном газом. Изобретение
газотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов. В разных странах стало быстро развиваться производство электронных ламп. Особенно сильно это развитие стимулировалось военным значением радиосвязи. Поэтому 1913–1919 гг. – период
резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер
Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с
помощью триода получил незатухающие гармонические колебания.
Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции на ламповые, что практически решило проблему
радиотелефонии. С этого времени радиотехника становится ламповой.
Значительный вклад в развитие электроники и радиотехники внесен
немецким физиком Вальтером Шоттки.

***
Вальтер Герман Шоттки (нем. Walter Hermann
Schottky; 23 июля 1886, Цюрих, Швейцария – 4 марта
1976, Прецфельд, Западная Германия) – немецкий
физик, который в 1915 г. изобрел электронную лампу
с экранирующей сеткой и в 1919 г. тетрод, эти открытия он совершил, работая в исследовательской лаборатории Siemens & Halske. Открыл явление возрастания электронного тока насыщения под действием
внешнего ускоряющего электрического поля. Предложил супергетеродинный принцип (1918). В 1924 г. он
совместно с Э. Герлахом изобрел электродинамический микрофон ленточного типа. C 1927 по 1951 г. он
также работал в компаниях Siemens & Halske и
Siemens-Schuckertwerke.
В 1935 г. разработал новые представления о механизме образования вакансий атомов в кристаллах. Получающиеся таким способом дефекты в литературе именуют «дефектами по Шоттки». В 1938 г. Шоттки сформулировал теорию, предсказывающую эффект Шоттки, сейчас используемый в диодах Шоттки.

В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 г. в
Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного
телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР. Папалекси окончил Страсбургский университет,
19

где работал под руководством Брауна. Первые радиолампы Папалекси
из-за отсутствия совершенной откачки были не вакуумными, а газонаполненными (ртутными). В 1914–1916 гг. Папалекси проводил опыты
по радиотелеграфии. Работал в области радиосвязи с подводными
лодками. Руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. В 1923–1935 гг. совместно с Мандельштамом руководил
научным отделом центральной радиолаборатории в Ленинграде. С
1935 г. работал председателем научного совета по радиофизике и радиотехнике при Академии наук СССР. Первые в России электровакуумные приемно-усилительные радиолампы были изготовлены БончБруевичем. С 1916 по 1918 г. занимался созданием электронных ламп
и организовал их производство. В 1918 г. возглавил Нижегородскую
радиолабораторию, объединив лучших радиоспециалистов того времени (Остряков, Пистолькорс, Шорин, Лосев). В марте 1919 г. в нижегородской радиолаборатории началось серийное производство электровакуумной лампы РП-1. В 1920 г. Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным
охлаждением, мощностью до 1 кВт. Видные немецкие ученые, ознакомившись с достижениями Нижегородской лаборатории, признали
приоритет России в создании мощных генераторных ламп. Большие
работы по созданию электровакуумных приборов развернулись в Петрограде. Здесь работали Чернышев, Богословский, Векшинский, Оболенский, Шапошников, Зусмановский, Александров. Большое значение для развития электровакуумной техники имело изобретение
нагреваемого катода. В 1922 г. в Петрограде был создан электровакуумный завод, который слился с электроламповым заводом «Светлана». В научно-исследовательской лаборатории этого завода Векшинским были проведены многосторонние исследования в области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионным свойствам
катодов, газовыделению металла и стекла и др.). Переход от длинных
волн к коротким и средним и изобретение супергетеродина и развитие
радиовещания потребовали разработки более совершенных ламп, чем
триоды. Разработанная в 1924 г. и усовершенствованная в 1926 г. американцем Хеллом экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), и
предложенная им же в 1930 г. электровакуумная лампа с тремя сетками (пентод), решили задачу повышения рабочих частот радиовещания.
Пентоды стали самыми распространенными радиолампами. Развитие
специальных методов радиоприема вызвало в 1934–1935 гг. появление
новых типов многосеточных частотопреобразовательных радиоламп.
Появились также разнообразные комбинированные радиолампы, применение которых позволило значительно уменьшить число радиоламп
в приемнике. Особенно наглядно взаимосвязь между электровакуум20

ной и радиотехникой проявилась в период, когда радиотехника перешла к освоению и использованию диапазона УКВ (ультракороткие
волны – метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые
диапазоны). Для этой цели, во-первых, были значительно усовершенствованы уже известные радиолампы. Во-вторых, были разработаны
электровакуумные приборы с новыми принципами управления электронными потоками. Сюда относятся многорезонаторные магнетроны
(1938), клистроны (1942), лампы обратной волны ЛОВ (1953). Такие
приборы могли генерировать и усиливать колебания очень высоких
частот, включая миллиметровый диапазон волн. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие таких отраслей, как радионавигация, радиолокация, импульсная многоканальная связь.

1.3. Развитие смежных областей
1.3.1. Радиосвязь
Радиосвязь (или радио) представляет собой разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.
Передача происходит следующим образом: на передающей стороне (в радиопередатчике) формируются высокочастотные колебания
(несущий сигнал) определенной частоты. На него накладывается сигнал (звука, изображения и т. д.), который нужно передать – происходит модуляция несущей полезным сигналом. Сформированный таким
образом высокочастотный сигнал излучается антенной в пространство
в виде радиоволн. На приемной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приемной антенне, он поступает в радиоприемник.
Здесь система фильтров выделяет из множества наведенных в антенне
токов от разных передатчиков сигнал с нужной несущей частотой, а
детектор выделяет из него модулирующий полезный сигнал. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком вследствие влияния разнообразных помех.
В практике радиовещания и телевидения используется упрощенная классификация радиодиапазонов:
 сверхдлинные волны (СДВ) – мириаметровые волны;
 длинные волны (ДВ) – километровые волны;
 средние волны (СВ) – гектометровые волны;
 короткие волны (КВ) – декаметровые волны;
 ультракороткие волны (УКВ) – высокочастотные волны, длина волны которых меньше 10 м.
21

В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:
 ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение
имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю.
Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается
сравнительно медленно.
 СВ сильно поглощаются ионосферой днем, и район действия
определяется приземной волной, вечером и ночью хорошо отражаются от
ионосферы и район действия связи определяется отраженной волной.
 КВ распространяются исключительно посредством отражения
ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует так называемая
зона радиомолчания. Днем лучше распространяются более короткие
волны (30 МГц), ночью – более длинные (3 МГц). Короткие волны
могут распространяться на больши́е расстояния при малой мощности
передатчика за счет нескольких отражений от ионосферы и поверхности земли.
 УКВ распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой, однако при определенных условиях способны
огибать земной шар из-за разности плотностей воздуха в разных слоях
атмосферы. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность.
 СВЧ не огибают препятствия, распространяются в пределах
прямой видимости. Используются в Wi-Fi, сотовой связи и т. д.
 КВЧ не огибают препятствия, отражаются большинством
препятствий, распространяются в пределах прямой видимости. Используются для спутниковой связи.
 Гипервысокие частоты не огибают препятствия, отражаются
подобно свету, распространяются в пределах прямой видимости. Использование ограничено.
Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная
кора и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися
на большом расстоянии).
Распространение радиоволн от источника к приемнику может происходить несколькими путями одновременно. Такое распространение
называется многолучевостью. Вследствие многолучевости и изменений
параметров среды возникают замирания (англ. fading) – изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучевости изменение
уровня сигнала происходит вследствие интерференции, т. е. в точке приема электромагнитное поле представляет собой сумму смещенных во
времени радиоволн диапазона. При этом возникает ряд эффектов:
22

1) эффект антиподов – радиосигнал может хорошо приниматься
в точке земной поверхности, приблизительно противоположной передатчику. Описанные примеры:
а) радиосвязь Э. Кренкеля (RPX), находившегося на Земле Франца-Иосифа 12 января 1930 г. с Антарктикой (WFA);
б) радиосвязь плота Кон-Тики (приблизительно 6° ю. ш. 60° з. д.)
с Осло, передатчик 6 Ватт;
2) эхо от волны, обошедшей Землю (фиксированная задержка);
3) редко наблюдаемый и малоизученный эффект LDE (мировое
эхо, эхо с большой задержкой);
4) эффект Доплера – изменение частоты (длины волны) в зависимости от скорости приближения (или удаления) передатчика сигнала относительно приемника. При их сближении частота увеличивается, при взаимном удалении уменьшается;
5) Люксембург-Горьковский эффект, связанный с изменениями
несущей частоты вследствие нелинейных эффектов при распространении радиоволн в ионосфере.
Радиосвязь можно также разделить на радиосвязь без применения ретрансляторов по длинам волн:
 СДВ-связь;
 ДВ-связь;
 СВ-связь;
 КВ-связь;
 КВ-связь земной (поверхностной) волной;
 КВ-связь ионосферной (пространственной) волной;
 УКВ-связь;
 УКВ-связь прямой видимости;
 тропосферная связь;
 связь с отражением от Луны.
Связь с применением ретрансляторов:
 спутниковая связь;
 радиорелейная связь;
 сотовая связь.
Решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ)
России для гражданской связи физическими и юридическими лицами
на территории Российской Федерации выделены 3 группы частот:
 27 МГц (Си-Би, Citizen’s Band, гражданский диапазон), с разрешенной выходной мощностью передатчика до 10 Вт. Автомобильные рации диапазона 27 МГц широко используются для организации
радиосвязи в службах такси, для связи водителей-дальнобойщиков;
23

 433 МГц (LPD, Low Power Device), выделено 69 каналов для
раций с выходной мощностью передатчика не более 0,01 Вт;
 446 МГц (PMR, Personal Mobile Radio), выделено 8 каналов
для раций с выходной мощностью передатчика не более 0,5 Вт.
Радиолюбительская связь – многогранное техническое хобби,
выражающееся в проведении радиосвязей в отведенных для этой цели
диапазонах радиочастот. Данное хобби может иметь направленность в
сторону той или иной составляющей, например:
 конструирование и постройка любительской приемно-передающей аппаратуры и антенн;
 участие в различных соревнованиях по радиосвязи (радиоспорт);
 коллекционирование карточек-квитанций, высылаемых в подтверждение проведенных радиосвязей и/или дипломов, выдаваемых за
проведение тех или иных связей;
 поиск и проведение радиосвязей с радиолюбительскими станциями, работающими из отдаленных мест или из мест, с которых
крайне редко работают любительские радиостанции (DXing);
 работа какими-то определенными видами излучения (телеграфия, телефония с однополосной или частотной модуляцией, цифровые виды связи);
 связь на УКВ с использованием отражения радиоволн от Луны (EME), от зон полярного сияния («Аврора»), от метеорных потоков, с ретрансляцией через радиолюбительские ИСЗ;
 работа малой мощностью передатчика (QRP), на простейшей
аппаратуре;
 участие в радиоэкспедициях – выход в эфир из отдаленных и
труднодоступных мест и территорий планеты, где нет активных радиолюбителей.
Радиолюбительская связь была широко распространена в СССР,
но в настоящее время интерес к ней резко сократился. Так, например,
прекратила свое существование широко известная коллективная радиостанция физического факультета Иркутского госуниверситета.
Радио используется в компьютерных сетях AMPRNet, в которых
соединение обеспечивается любительскими радиостанциями.
Приоритет А. С. Попова на изобретение радио признают не во
всех странах. Первый патент на беспроводную связь получил в 1872 г.
Малон Лумис (Mahlon Loomis), заявивший в 1866 г. о том, что он открыл способ беспроволочной связи; в 1897 г. изобретение радио было
запатентовано Гульельмо Маркони, приемник и передатчик которого
был аналогичен использованным А. С. Поповым. В Германии создателем радио считают Генриха Герца (1888), в США – Дэвида Хьюза
(1878), а также Томаса Эдисона (1875, патент 1885) и Николу Теслу
24

(1891), которого считают изобретателем радио и в ряде Балканских
стран; в Беларуси – Якова (Сармат-Яков-Сигизмунд) Оттоновича Наркевича-Иодку (белор. Якуб Наркевіч-Едка) (1890), во Франции – Эдуарда Бранли (1890), в Индии – Джагадиша Чандра Боше (1894 или
1895), в Англии – Оливера Джозефа Лоджа (1894), в Бразилии – Ланделя де Муру (1893–1894).
Создателем первой успешной системы обмена информацией с
помощью радиоволн (радиотелеграфии) в ряде стран считается итальянский инженер Гульельмо Маркони (1895).
В России изобретателем радиотелеграфии традиционно считают
А. С. Попова. В первых опытах по радиосвязи, проведенных в физическом кабинете, а затем в саду Минного офицерского класса, приемник
обнаруживал излучение радиосигналов, посылаемых передатчиком, на
расстоянии до 60 м. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физикохимического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал
действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире
радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио.
Далее радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м. Работая
над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более
600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20км, а в 1901 г. дальность
радиосвязи была уже 150 км. Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика. Искровой промежуток был размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и
настроенном с ней в резонанс. Существенно изменились и способы
регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный
аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В
1899 г. была обнаружена возможность приема сигналов с помощью
телефона. В начале 1900 г. радиосвязь была успешно использована во
время спасательных работ в Финляндском заливе. При участии
А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
В США одним из изобретателей радио считается Никола Тесла,
запатентовавший в 1893 г. радиопередатчик, а в 1895 г. приемник.
Конструкция устройств Теслы позволяла модулировать акустическим
сигналом колебательный контур передатчика, осуществлять радиопередачу сигнала на расстояние и принимать его приемником, который
преобразовывал сигнал в акустический звук. Такую же конструкцию
имеют все современные радиоустройства, в основе которых лежит
колебательный контур.
Во Франции изобретателем беспроволочной телеграфии долгое
время считался создатель когерера (трубки Бранли) (1890) Эдуар Бранли.
25

В Индии радиопередачу в миллиметровом диапазоне в ноябре
1894 г. демонстрирует Джагадиш Чандра Боше.
В Великобритании в 1894 г. первым демонстрирует радиопередачу и радиоприем на расстояние 40 м Оливер Джозеф Лодж, использовавший трубку Бранли со встряхивателем и давший ей название
«когерер». Первым же изобретателем способов передачи и приема
электромагнитных волн (которые длительное время назывались волнами Герца – Hertzian Waves) является сам их первооткрыватель,
немецкий ученый Генрих Герц (1888).

1.3.2. Радиовещание
Радиовещание – технология передачи по радио неограниченному
числу слушателей речи, музыки и других звуковых эффектов или звуковой информации в радиоэфире, также в проводных сетях (проводное
радиовещание) или в сетях с пакетной коммутацией (в компьютерных
сетях – интернет-радио). Изначально термин «радиоэфир» произошел
от физического понятия «эфир», так как в начале XX в. считалось, что
распространение радиоволн происходит в таком эфире, и в дальнейшем термин стал использоваться для обозначения всех способов широковещательной трансляции. Радиовещание является одним из основных средств оперативной информации, массовой агитации и пропаганды, просвещения населения.
Характеризуется передачей сигнала по принципу «от одного – ко
многим», т. е. более чем одному слушателю, как правило – по заранее
известному расписанию. В официальной документации также применяют термин радиовещание телевидения, подразумевающее передачу
аудиовизуальной информации.
Вещание в радиоэфире осуществляется при помощи радиопередатчиков (прием передач, соответственно, – радиоприемников), той
или иной мощности, передающих информацию на той или иной частоте электромагнитного излучения. Современный радиопередатчик состоит из следующих конструктивных частей:
 задающий генератор частоты (фиксированной или перестраиваемой) несущей волны;
 модулирующее устройство, изменяющее параметры излучаемой волны (амплитуду, частоту, фазу или несколько параметров одновременно) в соответствии с сигналом, который требуется передать
(часто задающий генератор и модулятор выполняют в одном блоке,
называемым «возбудитель»);
 усилитель мощности, который увеличивает мощность сигнала
возбудителя до требуемой за счет внешнего источника энергии;
26

 устройство согласования, обеспечивающее максимально эффективную передачу мощности усилителя в антенну;
 антенна, обеспечивающая излучение сигнала
Радиопередатчик с сопутствующим оборудованием (студии, каналы связи и питания, антенна на мачте или вышке) называется радиостанцией.
Частота является главной характеристикой радиовещательной
станции. В первые десятилетия развития радиовещания для обозначения характеристики несущих колебаний использовали длину волны
излучения, соответственно, шкалы радиоприемников были проградуированы в метрах. В настоящее время несущие колебания обозначают
частотой и, соответственно, шкалы радиоприемников градуируют в
кГц, МГц и ГГц.
Как правило, звук в эфирном радиовещании модулирует несущую частоту передатчика одним из способов модуляции: амплитудным (АМ) или частотным (ЧМ). ЧМ позволяет осуществлять высококачественное (как правило, стереофоническое) вещание в диапазоне
частот 66–108 МГц. В других диапазонах с более длинными волнами
(ДВ, СВ, КВ) используется АМ и цифровое радиовещание в формате
DRM. Попытки использования однополосной модуляции (SSB) в радиовещании особого успеха не имели.
Диапазоны частот для радиовещания,
принятые в России
Общее
название

Обозначение

Диапазон
частот, МГц

м (рус.)

Длинные волны 0,1485–0,2835
Средние волны 0,5265–1,6065
3,95–4,00
5,90–6,20
7,20–7,45
9,40–9,90
11,60–12,10
Короткие
13,57–13,87
волны
15,10–15,80
17,48–17,90
18,90–19,02
21,45–21,85
25,67–26,10

ДВ
СВ
КВ-1 (75)
КВ-2 (49)
КВ-3 (41)
КВ-4 (31)
КВ-5 (25)
КВ-6 (22)
КВ-7 (19)
КВ-8 (16)
КВ-9 (15)
КВ-10 (13)
КВ-11 (11)

27

m (англ.)
LW
MW
SW (75)
SW (49)
SW (41)
SW (31)
SW (25)
SW (22)
SW (19)
SW (16)
SW (15)
SW (13)
SW (11)

Модуляция
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM
АМ, DRM

Стандарт
стереовещания
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM
DRM

Общее
название

Диапазон
частот, МГц

Обозначение
м (рус.)

m (англ.)

62–74

УКВ, УКВ-1

OIRT

76–100

УКВ-2

FM, VHF

100–108

УКВ-3

FM, VHF

Ультракороткие
волны

Стандарт
стереовещания
OIRT
(полярно
модулированЧМ
ный),
(девиация
CCIR
50 кГц)
(ZenithGE c
пилоттоном)
CCIR
ЧМ
(Zenith(девиация GE c
75 кГц)
пилоттоном)
CCIR
ЧМ
(Zenith(девиация GE c
75 кГц)
пилоттоном)
Модуляция

В диапазоне УКВ с модуляцией CCIR помимо звуковой информации радиостанция может передавать также буквенно-символьную
информацию (система Radio Data System, RDS).
Распределением частот между странами (особенно в диапазонах
СВ и КВ) занимается Международный союз электросвязи (ITU) дважды в год, а внутри России – Федеральная служба по надзору в сфере
связи (Россвязьнадзор) (это необходимо для предотвращения взаимных помех между станциями).
Радиовещание может осуществляться в мультиплексах цифрового эфирного телевидения DVB-T2.
Интернет-радиостанции иногда дублируют во Всемирной сети
сигнал имеющихся радиостанций, иногда, наоборот, сигнал из Интернета передается (ретранслируется) радиостанцией в эфир (для таких
радиостанций характерна специфическая помеха – полное исчезновение сигнала на время от долей до нескольких секунд). Однако, вообще
говоря, вещание в Интернете не имеет к радиостанциям никакого отношения, кроме формата передач.

28

1.3.3. Космическая радиосвязь
В последние годы все шире используется связь, когда один из
корреспондентов находится на Земле. Диапазон длин волн, пригодных
для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Так как радиоволны, частота которых < МПЧ (5–30 МГц), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6–10 ГГц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 МГц
до 10 ГГц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении
через ионосферу при приеме на обычную антенну приводит к потерям,
которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 ГГц ими
можно пренебречь. Использование геостационарных орбит приводит также
к задержке сигнала. Эти условия определяют диапазон радиоволн для
дальней связи на УКВ при использовании спутников.
– Подвижная спутниковая связь L ~1,5 ГГц, S ~2,5 ГГц.
– Фиксированная спутниковая связь C ~4…6 ГГц, X – для спутниковой связи рекомендациями ITU-R частоты не определены.
– Для приложений радиолокации указан диапазон 8–12 ГГц.
– Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание Ku
11 ГГц, 12 ГГц 14 ГГц; K 20 ГГц.
– Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь
Ka 30 ГГц. Спутниковая связь постепенно вытесняется оптоволоконной.
Для связи с объектами, находящимися на других планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между двумя космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую емкость
каналов связи. Сведения о процессах распространения радиоволн в
космическом пространстве дает радиоастрономия.

1.3.4. Подземная и подводная радиосвязь
Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном
слое
земной
коры
удельная
проводимость
~10–3…10–2Ом–1м–1. В этих средах волна практически затухает на расстоянии порядка длины волны. Кроме того, для сред с большой удельной проводимостью коэффициент поглощения увеличивается с ростом
частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со
сверхдлинными используют волны оптического диапазона. В системах
29

связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или
моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной
передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землей и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной
приемной антенной. Глубина погружения антенн достигает десятков
метров. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких
сотен км и применяются, например, для связи между подземными
пунктами управления при запуске ракет. Системы другого типа используют подземные волноводы – слои земной коры, обладающие
малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким
породам относятся каменная соль, поташ и др. Эти породы залегают
на глубинах до сотен метров и обеспечивают дальность распространения радиоволн до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием
этого направления является использование твердых горных пород
(гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость. На глубине 3…7 км удельная
проводимость может уменьшиться до 10–11 Ом–1м–1. При дальнейшем
увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создается
ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается.
Образуется подземный волновод толщиной в несколько километров, в
котором возможно распространение радиоволн на расстоянии до нескольких тысяч километров. Одна из основных проблем подземной и
подводной связи – расчет излучения и передачи энергии от антенн,
расположенных в проводящей среде. Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы
подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

1.3.5. Мобильная связь
Мобильная связь – это любая радиосвязь, позволяющая абоненту
пользоваться ею без привязки к конкретному месту: сотовая, транковая (или транкинговая), пейджинговая, радиотелефоны, радиоудлинители, рации и т. д. Сотовая связь – разновидность мобильной связи,
организованная по принципу сот или ячеек – путем размещения базовых станций (БС) (Base Transceiver Station), которые покрывают локальную территорию. Совокупность локальных территорий составляет
зону обслуживания (ЗО) Оператора. Уровень сигнала в конкретном
30

месте зависит от близости к БС, рельефа местности, застройки, индустриальных помех и других факторов. Сигнал с БС передается на
коммутатор и обрабатывается им.
Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги
всем желающим, начала свое функционирование в 1946 г. в г. СентЛуисе (США). Радиотелефоны, применявшиеся в этой системе, использовали обычные фиксированные каналы. Если канал связи был
занят, то абонент вручную переключался на другой – свободный канал. Аппаратура была громоздкой и неудобной в использовании. С
развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались:
– уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны;
– уменьшалось базовое и коммуникационное оборудование, в
частности появилась функция автоматического выбора свободного
канала (trunking).
Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи
возникали новые проблемы. Прежде всего – ограниченность частотного ресурса: число фиксированных частот в определенном частотном
диапазоне не может бесконечно увеличиваться, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами начинают создавать
взаимные помехи. Исследовательский центр Bell Laboratories американской компании AT&T предложил идею разбиения всей обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться
сотами (от англ. cell – ячейка, сота). Каждая сота должна обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило использовать ту же самую частоту
повторно в другой ячейке (соте) без всяких взаимных помех.
Но прошло более тридцати лет, прежде чем такой принцип связи
был реализован на аппаратном уровне. Причем разработка принципа
сотовой связи велась в разных странах по различным направлениям.
Пять североевропейских стран – Швеция, Финляндия, Исландия, Дания и Норвегия разработали единый стандарт сотовой связи NMT-450
(Nordic Mobile Telephone), предназначенный для работы в диапазоне
450 МГц. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт
NMT-900 для диапазона 900 МГц, который позволил расширить
функциональные возможности и значительно увеличить абонентскую
емкость системы.
В 1983 г. в США, в районе Чикаго, после ряда успешных полевых испытаний вступила в коммерческую эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Этот стандарт был разработан в Исследовательском центре Bell Laboratories. В 1985 г. в Великобритании был принят в качестве национального стандарт TACS (Total
31

Access Communications System), разработанный на основе американского стандарта AMPS. В 1987 г., в связи с резким увеличением числа
абонентов сотовой связи, в Лондоне была расширена рабочая полоса
частот. Новая версия этого стандарта сотовой связи получила название
ETACS (Enhanced TACS). Во Франции, в отличие от других европейских стран, в 1985 г. был принят стандарт Radiocom-2000. В Скандинавских странах с 1986 г. начал применяться стандарт NMT-900.
Все вышеприведенные стандарты относятся к стандартам первого поколения и являются аналоговыми, т. е. в них используется способ
передачи информации с помощью амплитудной (АМ) либо частотной
(ЧМ) модуляции, как и в обычных радиостанциях. Данный способ
имеет целый ряд недостатков: возможность прослушивания разговоров других абонентов, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий, а также вследствие передвижения абонентов. Кроме того, использование различных стандартов сотовой связи и большая перегруженность выделенных частотных диапазонов стали препятствовать ее широкому применению. Иногда по одному и тому же телефону из-за взаимных помех было невозможно разговаривать абонентам, находящимся в двух соседних европейских странах. Увеличить число абонентов
можно было только двумя способами: либо расширить частотный
диапазон (как, например, это было сделано в Великобритании –
ETACS), либо перейти к рациональному частотному планированию,
позволяющему гораздо чаще использовать одни и те же частоты.
Использование новейших технологий и научных достижений в
области связи и обработки сигналов позволило создать второе поколение систем сотовой связи, основанное на цифровых методах обработки сигналов.
В 1989 г., за год до появления технического обоснования GSM,
британский департамент торговли и промышленности DTI (Department
of Trade and Industry) опубликовал концепцию «Подвижные телефоны», которая после дополнений и изменений получила название «Сети
персональной связи» – PCN (Personal Communication Networks). Целью реализации концепции было создание конкуренции между основными участниками рынка подвижной радиосвязи, чтобы к концу
2000 г. их абонентами стало около половины населения страны. Не
отставала от Европы и Америка, провозгласившая свою концепцию
«Услуги персональной связи» – PCS (Personal Communication
Services), целью которой был также 50%-ный охват населения страны
к 2000 г. Для реализации этой концепции Федеральная комиссия связи
США выделила три частотных участка в диапазоне 1,9–2,0 ГГц (широкополосные PCS) и один участок в диапазоне 900 МГц (узкополос32

ные PCS). Американская промышленная ассоциация в области связи
TIA (Telecommunications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Впоследствии этот стандарт стал более известен под аббревиатурой D-AMPS, или ADS. В
отличие от Европы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с обычным стандартом AMPS. Одновременно американская компания Qualcomm начала активную разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов – CDMA (Code Division Multiple Access).
Активная работа по развитию сотовой связи проводилась и в Японии.
В этой стране был разработан собственный стандарт сотовой связи
JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим параметрам к американскому стандарту D-AMPS.
В 1992 г. в Германии вступила в коммерческую эксплуатацию
первая система сотовой связи стандарта GSM. В 1993 г. в США Промышленная ассоциация в области связи TIA приняла стандарт CDMA
как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В
Великобритании сеть DCS-1800 с числом абонентов более 500 тыс.
вступила в эксплуатацию в 1993 г. В сентябре 1995 г. в Гонконге была
открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.
В нашей стране первый сеанс сотовой связи провел мэр СанктПетербурга А. Б. Собчак, при этом он держал лишь трубку, а чемодан
с радиотелефоном нес охранник. На первых порах сотовые телефоны
были дорогой игрушкой, доступной лишь для «новых русских». Ситуация кардинально изменилась в 1994 г. после принятия концепции
развития сетей подвижной сухопутной связи. Если с внедрением стандартов NMT и AMPS наша страна отстала лет на десять, то провозглашение стандарта GSM в качестве одного из двух федеральных
стандартов сократило этот разрыв примерно до трех лет. Не отстает
Россия и по внедрению стандарта CDMA. Четкая ориентация на прогрессивные мировые технологии дает возможность России быть на уровне
ведущих стран мира в развитии современных систем сотовой связи.
Дальнейшее развитие сотовой связи будет осуществляться в проектах систем третьего поколения с унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и бесшнуровые системы с информационными службами. Они будут иметь архитектуру
единой сети и предоставлять связь абонентам в различных условиях. В
Европе такая концепция, получившая название UMTS (универсальная
система подвижной связи), предусматривает объединение функциональных возможностей существующих цифровых систем связи в единую систему третьего поколения FPLMTS (Future Public Land Mobile
33

Telephone System) с предоставлением абонентам стандартизованных
услуг сотовой связи.
В России приняты 4 стандарта сотовой связи.
NMT-450i (Nordic Mobile Telephone) – старый аналоговый стандарт. Все российские NMT-операторы образуют сеть СоТел (сотовый
телефон России). Бытует мнение, что качество NMT-связи плохое. Это
не так. Качество связи – это понятие комплексное: зона покрытия,
чувствительность, легкость дозвона, качество звука, устойчивость соединения и т. д., поэтому качество связи надо рассматривать по отдельным параметрам. Все эти параметры у NMT-450i не хуже (как
минимум), чем у цифровых стандартов. Иногда ругают NMT-звук, но
он не плохой, он просто другой. Но сам звук более естественный,
«живой» и насыщенный по сравнению с цифровыми стандартами, нет
цифрового «бульканья», «кваканья» и провалов при неправильной
оцифровке звука. Если при плохой аналоговой связи как-то можно
понять собеседника, даже сквозь треск и шум, то при плохой цифровой связи, при выпадении фреймов и неправильной оцифровке звука,
иногда понять нельзя ничего. NMT-связь устойчивая, прерывается
редко, а в смысле площади покрытия стандарту NMT-450i вообще нет
равных. Если нужна связь из удаленных мест, то это то, что надо, особенно с мощными телефонами, поэтому этот стандарт еще долго будет
жить на необъятных просторах России, с постепенным переходом
NMT-операторов на стандарт GSM-450. К недостаткам стандарта
NMT можно отнести «привязку» телефона к оператору, маленький
выбор телефонов, большой их размер, завышенные цены на них.
D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) – цифровой
стандарт. Довольно популярен в России, так же, как и его аналоговый
вариант AMPS.
GSM (Global System for Mobile communications) – современный
цифровой стандарт (основной во многих странах). В этом стандарте
телефонный номер и вся другая информация об абоненте записана в
SIM-карте (Subscriber Identity Module), которая выдается абоненту при
заключении контракта и может вставляться в любой аппарат GSM
нужного диапазона, что делает независимым сам аппарат от оператора. Стандарт GSM подразделяется на GSM-450/900/1800/1900 в зависимости от рабочей частоты.
Качество GSM-связи вообще хорошее. Малая избыточность в алгоритмах сжатия GSM-звука приводит к плохой помехозащищенности GSM –
при помехах, даже небольших, правильная оцифровка звука нарушается.
CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с
кодовым разделением) – современный цифровой стандарт, по многим
техническим характеристикам превосходящий GSM.
34

На пути от передатчика к приемнику к сигналу добавятся помехи
и сигналы других передатчиков. Если принятый и демодулированный
сигнал перемножается с точной копией шумоподобного сигнала, который использовался для модуляции (здесь необходима очень высокая
степень синхронизации приемника и передатчика), то на выходе получается узкополосная составляющая с высокой энергией на единицу
частоты – переданный поток данных. В то же время помехи и сигналы
от других передатчиков не совпадают с использованным шумоподобным сигналом, и после перемножения они еще больше расползутся по
спектру и их энергия на единицу частоты уменьшится. Таким образом,
используя разные псевдослучайные последовательности (коды), можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в
одной и той же полосе частот.
Одной из приятных особенностей CDMA-сетей является возможность «мягкого» перехода от одной базовой станции (БС) к другой (soft
handoff). При этом возможна ситуация, когда одного абонента «ведут»
сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, что его «передали»
другой БС. Естественно, чтобы такое стало возможным, необходима
прецизионная синхронизация БС. В коммерческих системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global Positioning
System) американской спутниковой системы определения координат.
CDMA – это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой, причем гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции, тем самым значительно снизив
стоимость телефона.
В России стандарт CDMA почему-то сертифицирован только как
«фиксированный», хотя все абоненты пользуются им, естественно, как
мобильным. Мнение о качестве связи CDMA – прекрасный насыщенный звук, устойчивая связь. Недостатки: пока еще дорогие телефоны,
ограниченная зона покрытия. Недавно китайская фирма ZTE под чутким руководством лидера CDMA-технологий фирмы Qualcomm выпустила первый в мире CDMA-телефон с SIM-картой (!). Эта маленькая
незамеченная революция, возможно, положила начало превращению
стандарта CDMA из «привязанного» в «отвязанный». Если CDMA
действительно избавится от «привязанности», то, учитывая технические преимущества этого стандарта, он станет еще более привлекательным. Тем более что, скорее всего, именно CDMA-технология будет использоваться в мире в сетях связи третьего поколения.
В России у CDMA тяжелая судьба в силу его нескольких особенностей.
35

Первая – вытекает из основной особенности CDMA – у каждого
абонента свой код, который не может быть использован другими,
независимо от того, разговаривает ли абонент, находится в режиме
ожидания звонка или вообще выключил телефон. Поэтому повременная оплата вообще не имеет смысла. Даже в российских условиях это
прямая конкуренция проводным линиям связи, не говоря уже о сотовых операторах. Вот и одна из причин, по которым CDMA нежелателен для нашего государства и его монополий.
Вторая – высокий уровень конфиденциальности CDMA. Подслушать из эфира разговор можно, но стоимость и сложность оборудования, способного на такое, значительно выше, чем для других
стандартов. Причем дело усугубляется тем, что при незначительном
удалении от БС мощность, излучаемая телефоном, крайне низка, поэтому подслушивающий должен находиться в непосредственной близости от объекта наблюдения, а при значительном удалении от БС вообще не понятно, через какую БС работает телефон. И последний удар
по спецслужбам – БС могут не пользоваться проводными каналами
связи для передачи сигнала от одной БС к другой, а передавать трафик
по эфиру. Все это тоже сильно не нравится государству.
И третья причина, вернее, повод для запрета CDMA – для синхронизации БС используются сигналы GPS, которую так не любит
наше правительство. Шпионы ведь кругом... А без GPS возникают
проблемы с мобильностью – чтобы обеспечить «soft handoff», нужна
синхронность БС.

1.3.6. Электроника СВЧ
Советский радиофизик Рожанский в 1932 г. предложил создать
приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идее
Арсеньев и Хейль в 1939 г. построили первые приборы для усиления и
генерации колебаний СВЧ (сверхвысокие частоты). Большое значение
для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Хохлова,
Гуревича, которые в 1938–1941 гг. сконструировали триоды с плоскими дисковыми электродами. По этому же принципу в Германии были
изготовлены металлокерамические лампы, а в США маячковые лампы. Созданные в 1943 г. Компфнером лампы бегущей волны (ЛБВ)
обеспечили дальнейшее развитие СВЧ-систем радиорелейной связи.
Для генерации мощных СВЧ колебаний в 1921 г. в США был предложен магнетрон, его автор Хелл. По магнетрону исследования проводили также русские ученые – Слуцкий, Грехова, Штейнберг, Калинин,
Зусмановский, Брауде. Активная работа велась и в Японии – Яги,
Окабе. Современные магнетроны берут свое начало в 1936–1937 гг.,
36

когда по идее Бонч-Бруевича его сотрудники, Алексеев и Моляров,
разработали многорезонаторные магнетроны. В 1918 г. в результате
исследовательской работы доктора Шретера немецкая фирма
«Пинтш» выпустила первые промышленные лампы тлеющего разряда
на 220 В. Начиная с 1921 г. голландская фирма Philips выпустила первые неоновые лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первые миниатюрные неоновые лампы появились в 1929 г. В 1930 г. Ноулз впервые опубликовал описание неоновой лампы тлеющего разряда, в которой возникновение разряда между анодом и катодом вызывается
третьим электродом. Первый тиратрон тлеющего разряда, который
нашел широкое применение, сконструировал в 1936 г. изобретатель
фирмы «Белл Телефон». В то время он именовался «Лампа – 313А». В
этом же году другой изобретатель – Витли – предложил свою конструкцию тиратрона. Где с помощью тока Ic управляющего электрода
создается необходимый начальный уровень концентрации электронов
и ионов, в вакуумном промежутке анод-катод. Этот уровень обеспечивает появление тлеющего разряда. Этот же эффект используется в декатроне, предложенном фирмой «Эриксон».
Первый советский тиратрон тлеющего разряда был разработан в
1940 г. в лаборатории завода «Светлана». По своим параметрам он
был близок к параметрам фирмы «RCA». Свечение, сопровождающее
газовый разряд, стали использовать в знаковых газоразрядных индикаторах: при подаче напряжения на тот или иной катод (знак) возникает светящееся изображение.
В 30-е гг. были заложены основы радиотелевидения. Изобретателем телевидения является российский физик Б. Л. Розинг.

***
Борис Львович Розинг (23 апреля 1869, СанктПетербург – 20 апреля 1933, Архангельск) – российский
физик, ученый, педагог, изобретатель телевидения,
автор первых опытов по телевидению, за которые Русское техническое общество присудило ему золотую медаль и премию имени К. Г. Сименса.
В 1887 г. в Петербурге окончил гимназию с золотой медалью, в 1891 г. – физико-математический факультет Петербургского университета с дипломом первой степени. Был оставлен в университете для подготовки к профессорскому званию. С 1892 г. преподавал в
Петербургском технологическом институте, с 1895 – в
Константиновском артиллерийском училище. Один из
инициаторов высшего женского образования в России. Был деканом электромеханического факультета открытых в 1906 г. Петербургских женских политехнических курсов, в 1915 г. преобразованных в Петроградский женский политехнический институт.

37

Для преодоления недостатков механической развертки Розинг изобрел
первый электронный метод записи и воспроизведения изображения, использовав систему электронной развертки (построчной передачи) в передающем приборе и электроннолучевую трубку в приемном аппарате, т. е. впервые сформулировал основной принцип устройства и работы современного телевидения. В
июле 1907 г. этот факт был официально зафиксирован как русская привилегия –
25 июля 1907 г. ученый подал заявку на «Способ электрической передачи изображений на расстояние». По этой заявке 30 октября 1910 г. ему был выдан патент (привилегия по существовавшей тогда терминологии) № 18076.
В 1908 и 1909 гг. открытие нового способа приема изображения в телевидении подтвердили патенты, выданные в Англии и Германии. В 1911 г. усовершенствованное Б. Л. Розингом телевизионное приспособление было запатентовано в России, Англии, Германии, США. 9 мая 1911 г. Б. Л. Розингу удалось в
своей лаборатории добиться приема сконструированным им кинескопом изображений простейших фигур. Это была первая в мире телевизионная передача,
ознаменовавшая начало эры телевидения. Ученый создал более 120 схем и
систем телевизионных устройств.
В 1920 г. Б. Л. Розинг организовал в Екатеринодаре физико-математическое общество и стал его председателем. Общество являлось членом русской физической ассоциации, вело активную работу, не прекращавшуюся даже
в голодном 1922 году. В Краснодаре Б. Л. Розингом предложен упрощенный
вывод формулы планиметра Амслера при помощи сравнительно нового в России метода векторального анализа, подготовлены доклады «О физикофилософской системе векторальной монологии», «О фотоэлектрическом реле»,
«Преобразование основных уравнений электромагнитного поля в новую форму». С докладом «Построение теории света и световых квантов на основе общего решения уравнений электромагнитного поля Лоренца» Б. Л. Розинг выезжал
на съезд физиков в Нижний Новгород. На Кубани он готовил свой итоговый
труд – книгу «Электрическая телескопия (видение на расстоянии). Ближайшие
задачи и достижения», которая была опубликована в Петрограде в 1923 г.
В 1931 г. был арестован по «делу академиков» «за финансовую помощь
контрреволюционерам» (дал денег в долг приятелю, впоследствии арестованному) и сослан на три года в Котлас без права работы. Однако благодаря заступничеству советской и зарубежной научной общественности в 1932 г. переведен в Архангельск, где поступил на кафедру физики Архангельского лесотехнического института. Там и умер 20 апреля 1933 г. в возрасте 63 лет от кровоизлияния в мозг. Похоронен в Архангельске на Вологодском кладбище.
15 ноября 1957 г. Президиумом Ленинградского городского суда было отменено постановление выездной сессии коллегии ОГПУ на основании отсутствия состава преступления. Б. Л. Розинг был полностью оправдан.

Первые проекты специальных передающих трубок были предложены независимо друг от друга Константиновым и Катаевым. Подобные же трубки, названные иконоскопами, построил в США ученик
Б. Л. Розинга Владимир Константинович Зворыкин. В 1912 г. он окончил Петербургский экономический института, в 1914 г. – колледж «Де
Франс» в Париже. В 1917 г. эмигрировал в США. В 1920 г. поступил в
фирму «Вестингаус Электрик». В 1929 г. возглавил лабораторию американской радиокорпорации «Камдем и Пристон». В 1931 г. Зворыкин
создал первый иконоскоп – передающую трубку, которая сделала воз38

можным развитие электронных телевизионных систем. В 1933 г.
Шмаков и Тимофеев предложили более чувствительные передающие
трубки – супериконоскоп, позволявший вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Шмаков родился в 1885 г.,
в 1912 г. закончил МГУ, работал в МВТУ (1924–1930), работал в МЭИ
(1930–1932), в 1933 г. изобрел супериконоскоп, Тимофеев в
1935–1937 гг. заведовал лабораторией в Всесоюзном НИИ телевидения в
Ленинграде, вместе со Шмаковым изобрел иконоскоп. Остальные труды
относились к области: фотоэффекта, вторичной электронной эмиссии,
разрядов в газах, электронной оптики. Разработал конструкции электронных умножителей, электроннооптических преобразователей.
В 1939 г. советский ученый Брауде предложил идею создания
еще более чувствительной передающей трубки, названной суперортикон. К 1930-м гг. относятся первые эксперименты с очень простыми
передающими устройствами, получившими название видикон. Идея
создания видикона была выдвинута Чернышевым в 1925 г. Первые
практические образцы видиконов появились в США в 1946 г.
Несмотря на последующее огромное значение телевидения, в предвоенные годы его опередили исследования в области радиолокации.

1.3.7. Радиолокация
Радиолокация – область науки и техники, объединяющая методы и средства локации (обнаружения и измерения координат) и определения свойств различных объектов с помощью радиоволн. Близким
и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных
координат. Основное техническое приспособление радиолокации –
радиолокационная станция (РЛС).
Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную радиолокацию. Радиолокаторы различаются по
используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала,
числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат,
месту установки РЛС.
Выделяют два вида радиолокации:
 пассивная радиолокация основана на приеме собственного излучения объекта;
 при активной радиолокации радар излучает свой собственный
зондирующий сигнал и принимает его отраженным от цели. В зависимости от параметров принятого сигнала определяются характеристики цели.
39

Активная радиолокация бывает двух видов: активная радиолокация с активным ответом и активная радиолокация с пассивным ответом:
 с активным ответом – на объекте предполагается наличие радиопередатчика (ответчика), который излучает радиоволны в ответ на
принятый сигнал. Активный ответ применяется для опознавания объектов (свой-чужой), дистанционного управления, а также для получения от них дополнительной информации (например, количество топлива, тип объекта и т. д.);
 с пассивным ответом – запросный сигнал отражается от объекта и воспринимается в пункте приема как ответный.
Для просмотра окружающего пространства РЛС использует различные способы обзора за счет перемещения направленного луча антенны РЛС:
 круговой;
 секторный;
 обзор по винтовой линии;
 конический;
 по спирали;
 V-обзор;
 линейный (самолеты ДРЛО типа Ан-71 и А-50 (Россия –
Украина) или американские с системой «Авакс»).
В соответствии с видом излучения РЛС делятся на:
 РЛС непрерывного излучения;
 импульсные РЛС.
Радиолокация основана на следующих физических явлениях.
 Радиоволны рассеиваются на встретившихся на пути их распространения электрических неоднородностях (объектах с другими
электрическими свойствами, отличными от свойств среды распространения). При этом отраженная волна, так же как и, собственно, излучение цели, позволяет обнаружить цель.
 На больших расстояниях от источника излучения можно считать, что радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной
скоростью, благодаря чему имеется возможность измерять дальность
и угловые координаты цели. (Отклонения от этих правил, справедливых только в первом приближении, изучает специальная отрасль радиотехники – распространение радиоволн. В радиолокации эти отклонения приводят к ошибкам измерения.)
 Частота принятого сигнала отличается от частоты излучаемых
колебаний при взаимном перемещении точек приема и излучения
(эффект Доплера), что позволяет измерять радиальные скорости движения цели относительно РЛС.
40

 Пассивная радиолокация использует излучение электромагнитных волн наблюдаемыми объектами, это может быть тепловое излучение,
свойственное всем объектам, активное излучение, создаваемое техническими средствами объекта, или побочное излучение, создаваемое любыми объектами с работающими электрическими устройствами.
РЛС непрерывного излучения используются в основном для
определения радиальной скорости движущегося объекта (использует
эффект Доплера). Достоинствами РЛС такого типа являются дешевизна и простота использования, однако в таких РЛС сильно затруднено
измерение расстояния до объекта. Пример: простейший радар для
определения скорости автомобиля.
При импульсном методе радиолокации передатчики генерируют
колебания в виде кратковременных импульсов, за которыми следуют
сравнительно длительные паузы. Причем длительность паузы выбирается, исходя из дальности действия РЛС Dmax:
T > 2Dmax/c.

(1.4)

Сущность метода состоит в следующем.
Передающее устройство РЛС излучает энергию не непрерывно, а
кратковременно, строго периодически повторяющимися импульсами,
в паузах между которыми происходит прием отраженных импульсов
приемным устройством той же РЛС. Таким образом, импульсная работа РЛС дает возможность разделить во времени мощный зондирующий импульс, излучаемый передатчиком, и значительно менее мощный эхо-сигнал. Измерение дальности до цели сводится к измерению
отрезка времени между моментом излучения импульса и моментом
приема, т. е. временем движения импульса до цели и обратно.
Максимальная дальность действия РЛС зависит от ряда параметров и характеристик как антенной системы станции, так и генератора,
и приемника системы. В общем случае без учета потерь мощности в
атмосфере, помех и шумов дальность действия системы Dmax можно
определить следующим образом:

Dmax  4

Pn Da S a 

4 2 Pn,min

,

(1.5)

где Pn – мощность генератора; Da – коэффициент направленного действия
антенны; Sa – эффективная площадь антенны; σ – эффективная площадь
рассеяния цели; Pn, min – минимальная чувствительность приемника.
При наличии шумов и помех дальность действия РЛС уменьшается.
41

Атмосферные потери особенно велики в сантиметровом и миллиметровом диапазонах и вызываются дождем, снегом и туманом, а в
миллиметровом диапазоне также кислородом и парами воды. Наличие
атмосферы приводит к искривлению траектории распространения радиоволн (явление рефракции). Характер рефракции зависит от изменения коэффициента преломления атмосферы при изменении высоты.
Из-за этого траектория распространения радиоволн искривляется в
сторону поверхности земли.
Как известно, эффект отражения радиоволн открыл А. С. Попов в
1897 г. Но технически использовать удивительный эффект для «дальнего
видения» никому не удавалось: волны рассеивались, и на объект локации
их попадало меньше одной миллиардной части. Практические работы в
области радиолокации начались в 1930-х гг. Работы велись параллельно в
СССР, Германии, Англии и Франции. Естественно, что разработки держались в секрете. Основной целью было обнаружение атак авиации.
Развитие радиолокации в СССР. В Советском Союзе осознание необходимости средств обнаружения авиации, свободных от недостатков звукового и оптического наблюдения, привело к разворачиванию исследований в области радиолокации. Идея, предложенная
молодым артиллеристом П. К. Ощепковым, получила одобрение высшего командования: наркома обороны СССР К. Е. Ворошилова и его
заместителя – М. Н. Тухачевского. В 1934 г. сотрудники центральной
радиолаборатории Коровин и Румянцев провели первый эксперимент
по применению радиолокации и определению летящего самолета. В
1935 г. теоретические основы радиолокации были разработаны в Ленинградском физико-техническом институте Кобзаревым. Одновременно с
разработкой вакуумных электроприборов, на втором этапе развития электроники, создавались и совершенствовались газоразрядные приборы.
В 1932 г. на базе Ленинградского физико-технического института был создан Ленинградский электрофизический институт (ЛЭФИ)
под руководством А. А. Чернышева, в котором проводились исследовательские и опытно-конструкторские работы по радиолокации. В
1935 г. ЛЭФИ был расформирован, а на его базе организован «закрытый» институт НИИ-9 с оборонной тематикой, включавшей и радиолокацию. Научным руководителем его стал М. А. Бонч-Бруевич. Работы по радиолокации были начаты и в Украинском физикотехническом университете (УФТИ) в Харькове. К началу войны усилиями ученых и инженеров ЛЭФИ, НИИ-9 и других организаций были
созданы опытные наземные радиолокационные станции.
3 января 1934 г. в СССР был успешно проведен эксперимент по
обнаружению самолета радиолокационным методом. Самолет, летящий на высоте 150 м, был обнаружен на дальности 600 м от радарной
42

установки. Эксперимент был организован представителями Ленинградского института электротехники и Центральной радиолаборатории. В 1934 г. маршал Тухачевский в письме правительству СССР
написал: «Опыты по обнаружению самолетов с помощью электромагнитного луча подтвердили правильность положенного в основу принципа» [24]. Первая опытная установка «Рапид» была опробована в том
же году. Передатчик был установлен на крыше дома № 14 по Красноказарменной улице (Москва) приемник – в районе поселка Новогиреево; присутствовали М. Н. Тухачевский, Н. Н. Нагорный, М. В. Шулейкин. Аппаратуру демонстрировал П. К. Ощепков. В 1936 г. советская
сантиметровая радиолокационная станция «Буря» засекала самолет с расстояния 10 км. Первые РЛС в СССР, принятые на вооружение РККА и
выпускавшиеся серийно, были: РУС-1 – с 1939 г. и РУС-2 – с 1940 г.
В 1946 г. американские специалисты – Э. Реймонд и Д. Хачертон,
бывший сотрудник посольства США в Москве, написали: «Советские
ученые успешно разработали теорию радара за несколько лет до того,
как радар был изобретен в Англии» [29].
Основным фактором, ограничивающим технические характеристики локаторов, является малая мощность принимаемого сигнала.
При этом мощность принимаемого сигнала убывает как четвертая степень дальности (то есть, чтобы увеличить дальность действия локатора в 10 раз, нужно увеличить мощность передатчика в 10 тыс. раз).
Естественно, на этом пути быстро пришли к пределам, преодолеть
которые было далеко не просто. Уже в самом начале развития был
осознан тот факт, что имеет значение не сама мощность принимаемого
сигнала, а его заметность на фоне шумов приемника. Снижение шумов
приемника также было ограничено естественными шумами элементов
приемника, например тепловыми. Данный тупик был преодолен на
пути усложнения методов обработки принятого сигнала и связанного с
этим усложнения формы применяемых сигналов. Развитие радиолокации как научной отрасли знаний шло одновременно с развитием кибернетики и теории информации, и потребовались бы специальные
исследования, чтобы решить, где именно были получены первые результаты. Следует отметить появление понятия сигнала, который позволил отвлечься от конкретных физических процессов в приемнике,
таких как напряжение и ток, и позволил решать стоящие проблемы как
математическую задачу о поиске наилучших функциональных преобразований функций времени.
Одной из первых работ в этой области была работа
В. А. Котельникова об оптимальном приеме сигнала, т. е. наилучшем в
условии шумов методе обработки сигнала. В результате было доказано, что качество приема зависит не от мощности сигнала, а от его
43

энергии, т. е. произведения мощности на время, таким образом, появилась доказанная возможность увеличения дальности действия за
счет увеличения длительности сигналов, в пределе до непрерывного
излучения. Значительным шагом вперед стало отчетливое применение
в технике методов статистической теории решений (критерий Неймана – Пирсона) и принятие того факта, что исправное устройство может
работать с определенной долей вероятности. Для того чтобы радиолокационный сигнал при большой длительности позволял измерять
дальность и скорость с высокой точностью, потребовались сложные
сигналы, в отличие от простых радиолокационных импульсов, изменяющие какие-либо характеристики в процессе генерации. Так, сигналы с линейной частотной модуляцией изменяют частоту колебаний в
течение одного импульса, сигналы с фазовой манипуляцией скачкообразно изменяют фазу сигнала, обычно на 180°. При создании сложных
сигналов было сформулировано понятие функции неопределенности
сигнала, показывающей связь точности измерений дальности и скорости. Необходимость повышения точности измерения параметров стимулировало развитие различных методов фильтрации результатов измерений, например методов оптимальной нелинейной фильтрации,
которые явились обобщением фильтра Калмана на нелинейные задачи.
В итоге всех этих разработок теоретическая радиолокация оформилась
как самостоятельная, сильно математизированная отрасль знаний, в которой значительную роль играют формализованные методы синтеза, т. е.
проектирование ведется в известной мере «на кончике пера».
Основными моментами в противостоянии радиолокации с авиацией были:
 применение для скрытия самолетов и вертолетов пассивных
маскирующих помех в виде распыляемых в воздухе кусочков фольги,
отражающей радиоволны. Ответом на это было внедрение в радиолокаторах систем селекции движущихся целей, которая на основе доплеровского эффекта отличает движущиеся самолеты от сравнительно
неподвижной фольги;
 развитие технологий построения самолетов и кораблей,
уменьшающих мощность отраженного назад к радиолокатору сигнала,
получивших название «Стелс». Для этого служат и специальные поглощающие покрытия, и специальная форма, отражающая падающую
радиоволну не назад, а в другом направлении.
Загоризонтная радиолокационная станция (ЗГРЛС) осуществляет
наблюдение воздушного пространства на больших расстояниях,
вплоть до тысяч км («за горизонтом»). Несколько систем ЗГ РЛС были
созданы в 1950–1960-е гг. как часть систем предупреждения о ракетном нападении (СПРН).
44

Радиоволны коротковолновых диапазонов, пригодных для радиолокации, неспособны огибать за счет дифракции кривизну поверхности планеты. Из-за этого радиус действия классических радиолокационных станций (РЛС) ограничен радиогоризонтом (такие РЛС иногда называют надгоризонтными). Например, для радара, установленного на мачте высотой 10 м, горизонт составляет около 13 км (с учетом рефракции атмосферы). Для целей, находящихся на некоторой
высоте над поверхностью земли, радиус радара увеличивается; к примеру, цель, находящаяся на высоте 10 м, будет обнаружена тем же
радаром на расстоянии около 26 км. На практике наземные надгоризонтные РЛС проектируют для обнаружения атмосферных целей на
расстояниях не более нескольких сотен километров. Загоризонтные
радары используют несколько технологий для обнаружения целей за
радиогоризонтом, что делает их применение особенно эффективным в
роли РЛС системы предупреждения о ракетном нападении. Чаще всего загоризонтные радиолокаторы используют эффект отражения коротких радиоволн (от 3 до 30 МГц; декаметровые волны) от ионосферы. Такие радиолокаторы называются ЗГ РЛС пространственной волны. Для заданных условий атмосферы часть радиосигналов, излученных в ионосферу, испытывает отражение и изменяет направление.
Достигнув земли, отраженные радиосигналы рассеиваются, при этом
их малая доля может аналогичным образом отразиться от ионосферы
и вернуться к РЛС. В зависимости от состояния атмосферы лишь
часть диапазона коротких волн будет испытывать отражение, поэтому
для ЗГ РЛС требуется постоянный мониторинг состояния ионосферы
и подстройка частот. Из-за значительных потерь сигнала при распространении ЗГ РЛС практически не развивались до 1960-х гг., когда
начали производиться серийные малошумящие усилители. Также возникает проблема «мертвых зон», из-за которых ЗГ РЛС неэффективны
на небольших расстояниях.
Поскольку сигнал, отраженный от поверхности (земли или воды), значительно мощнее, чем сигнал, отраженный от цели, в ЗГ РЛС
применяются системы, позволяющие выделять полезный сигнал.
Наиболее простые системы используют эффект Доплера, при котором
движущийся объект изменяет частоту отраженных радиоволн. Фильтрацией полученного сигнала с оригинальной частотой в РЛС возможно выделение подвижных целей. Такой принцип используется
практически во всех РЛС (в том числе надгоризонтных), но в случае
загоризонтной радиолокации он значительно усложнен из-за движения самой ионосферы. Иногда применяется «многоскачковая» загоризонтная радиолокация, при которой радиосигнал несколько раз отражается от ионосферы и земли.
45

Также существуют ЗГ РЛС, использующие эффект поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ, ground wave), которая распространяется вдоль поверхности воды на расстояниях до 200–400 км.
Такие РЛС работают на частотах от 3 до 18 МГц и часто выполняются
в виде бистатического радара. Применяются для контроля прибрежных районов, в том числе 200-мильных эксклюзивных экономических
зон, а также для изучения метеорологической обстановки.
В 1946 г. советский ученый и конструктор Николай Кабанов
предложил идею раннего (загоризонтного) обнаружения самолетов в
диапазоне коротких волн на удалении до 3 тыс. км. Он обнаружил, что
зондирующие лучи при длине волны 10–100 м способны, отразившись
от ионосферы, облучить цель и возвратиться по тому же пути к
РЛС. Строго засекреченная и известная лишь узкому кругу лиц работа
Кабанова называлась «Веер». Был построен макетный образец загоризонтного радиолокатора, осуществлявший слежение с дальности
2,5 тыс. км за пусками ракет с Байконура. В 1949 г. Николай Кабанов
из-за неразрешимых технических трудностей прекратил исследования
и объявил, что такой радар создать невозможно. Несколько позже отказались от создания подобного сверхлокатора и американцы.
В 57-м, из-за строжайшей секретности не зная о неудачной работе Кабанова, главный конструктор радиорелейных линий, лауреат
Госпремии СССР Ефим Штырен, его ближайший помощник и единомышленник Василий Шамшин (ставший впоследствии министром
связи), молодые ученые Эфир Шустов и Борис Кукис, помимо своей
основной деятельности, на общественных началах вновь теоретически
обосновали возможность создания мощного коротковолнового загоризонтного радара. Они разработали научный отчет «Дуга», названный
так потому, что обнаружение целей за тысячи километров шло над
круглой поверхностью Земли. Документ передали на рассмотрение
специалистам из ПВО, те одобрили и послали на проверку в Академию наук. А там известный радиолокаторщик академик Юрий Борисович Кобзарев поставил крест на «Дуге». Мол, эти чудаки заняты
абсолютно бесперспективным делом, поскольку Кабанов доказал невозможность загоризонтной радиолокации.
Через несколько лет в зарубежной прессе появилась заметка, что
американец доктор Тэйлор в 1959 г. коротковолновым радаром на
большой дальности обнаружил ракету. Об этом доложили в ЦК
КПСС. Партийное руководство забеспокоилось – не отстаем ли мы
здесь от американцев? Штырена вызвали на заседание комиссии АН
СССР, и он доказал, что ЗГРЛС может обнаруживать самолет на дальности 3 тыс. км и ракеты – на 6 тыс. км. Более того, оказалось, что под
руководством Штырена выдвинута совершенно новая научная идея
46

загоризонтной локации, о которой не помышлял Кабанов. Комиссия
предложила Штырену и его команде провести экспериментальные
исследования. Через четыре года на действующем макете загоризонтного локатора Штырену, Шамшину и Шустову удалось обнаружить
старты ракет с Байконура на расстоянии 2,5 тыс. км. Казалось, успех
надо развивать. И новый директор НИИ дальней радиосвязи Владимир
Марков стал торопить Штырена с изготовлением опытного образца
мощного радара. Тот настойчиво отказывался, считая, что без детальнейших исследований нельзя браться за строительство столь дорогостоящего объекта. И в результате за неуступчивость Штырена, несмотря на заслуги, сняли с должности главного конструктора. Потом
несколько ученых пробовали свои силы в загоризонтной локации, но
особых результатов не достигли.
Сейчас в России есть два основных предприятия, разрабатывающих ЗГРЛС: Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи
(НИИДАР) и Научно-исследовательский институт радиофизики им.
А. А. Расплетина (НИИРФ).
Радары AN/FPS-49 (разработка Д. К. Бартона) для системы предупреждения о ракетном нападении были приняты на вооружение на
Аляске и Великобритании в 1960 г. и заменены только спустя 40 лет
службы на более новые радары (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Наземная ФАР системы предупреждения
о ракетном нападении на Аляске, США

Загоризонтные РЛС являются важным элементом системы предупреждения о ракетном нападении (СПРН), в задачи которой входят
предупреждение с высокой достоверностью ракетного нападения на
Российскую Федерацию и государства СНГ, выдача государственному
и военному руководству РФ информации предупреждения о старте
баллистических ракет, ракетном нападении, государстве-агрессоре,
атакуемых районах, времени до падения ракет и масштабе ракетного
47

удара, факте и степени противодействия системе и ее текущих боевых
возможностях с характеристиками, достаточными для принятия Высшими звеньями управления страны и ВС РФ соответствующих складывающейся обстановке решений. Состоит из двух эшелонов – наземные РЛС и орбитальная группировка спутников.
Разработка и принятие на вооружение в конце 1950-х межконтинентальных баллистических ракет привели к необходимости создания
средств обнаружения пусков таких ракет, чтобы исключить возможность внезапного нападения.
Советский Союз приступил к созданию системы предупреждения
о ракетном нападении в середине 1950-х гг. Первые радиолокационные станции (РЛС) раннего предупреждения были развернуты в конце
1960-х – начале 1970-х гг. Основной их задачей было предоставление
информации о ракетном нападении для систем противоракетной обороны, а не обеспечение возможности ответно-встречного удара. Первые РЛС фиксировали ракеты после их появления из-за местного горизонта либо, используя отражения радиоволн от ионосферы, «заглядывали» за горизонт. Но предельная достижимая мощность таких
станций и несовершенство технических средств обработки получаемой информации ограничивали дальность обнаружения двумя-тремя
тысячами километров, что соответствовало времени оповещения
10–15 мин до подлета к территории СССР.
В 1972 г. в СССР была разработана концепция интегрированной
системы предупреждения о ракетном нападении. Она включала в себя
наземные надгоризонтные и загоризонтные радиолокационные станции и космические средства и была способна обеспечить реализацию
ответно-встречного удара. Для обнаружения пусков межконтинентальных баллистических ракет во время прохождения ими активного
участка траектории, что обеспечило бы максимальное время предупреждения, предполагалось использовать спутники СПРН и загоризонтные РЛС. Обнаружение боевых частей ракет на поздних участках
баллистической траектории предусматривалось с помощью системы
надгоризонтных РЛС. Такое разделение значительно повышает
надежность системы и снижает вероятность ошибок, так как для обнаружения ракетного нападения используются разные физические принципы: регистрация инфракрасного излучения работающего двигателя
стартующей МБР спутниковыми датчиками и регистрация отраженного радиосигнала с помощью РЛС.
Задачи, решаемые СПРН:
1. Формирование и выдача информации предупреждения о ракетном нападении на Высшие звенья управления страны и ВС РФ [1].
2. Обнаружение и классификация ракетных ударов, определение
государства-агрессора, оценка масштаба и степени опасности удара в ин48

тересах информационного обеспечения и эффективного боевого применения оборонительных и ударных боевых систем ВС РФ, включая СЯС.
3. Формирование сигналов «Тревога» и информации целеуказания для стратегической ПРО и для систем и комплексов ПВО-ПРО.
4. Обеспечение информацией о ракетном нападении МЧС для
проведения эффективных мероприятий гражданской обороны.
5. Инструментальная разведка параметров и боевых возможностей ракет вероятных противников при проведении ими испытательных и учебно-боевых пусков.
Работы по созданию РЛС дальнего обнаружения (ДО) начались после принятия в 1954 г. решения Правительства СССР о разработке предложений по созданию противоракетной обороны (ПРО) Москвы. Ее важнейшими элементами должны были стать и РЛС ДО для обнаружения и
определения с высокой точностью координат ракет противника и головных частей на расстоянии нескольких тысяч километров. В 1956 г. Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР «О противоракетной обороне»
А. Л. Минц был назначен одним из главных конструкторов РЛС ДО и в
том же году в Казахстане начались исследования отражающих параметров головных частей БР, запускаемых с полигона Капустин Яр.
Строительство первых РЛС раннего предупреждения велось в
1963–1969 гг. Это были две РЛС типа «Днестр-М», размещенные в
Оленегорске (Кольский полуостров) и Скрунде (Латвия). В августе
1970 г. система была принята на вооружение. Она была рассчитана на
обнаружение баллистических ракет, запускаемых с территории США
или из акваторий Норвежского и Северного морей. Основной задачей
системы на данном этапе было предоставление информации о ракетном нападении для системы противоракетной обороны, разворачиваемой вокруг Москвы.
В 1967–1968 гг., одновременно со строительством РЛС в Оленегорске и Скрунде, было начато строительство четырех РЛС типа
«Днепр» (модернизированная версия РЛС «Днестр-М»). Для строительства были выбраны узлы в Балхаше-9 (Казахстан), Мишелевке
(возле Иркутска), Севастополе. Еще одна была построена на узле в
Скрунде, в дополнение к уже работающей там РЛС «Днестр-М». Эти
станции должны были обеспечить более широкий сектор обзора системы предупреждения, расширив его на Северную Атлантику, районы Тихого и Индийского океана.
В начале 1971 г. на базе командного пункта раннего обнаружения в Солнечногорске был создан командный пункт системы предупреждения о ракетном нападении. 15 февраля 1971 г. приказом министра обороны СССР отдельная дивизия противоракетного наблюдения
заступила на боевое дежурство.
49

Разработанная в 1972 г. концепция системы предупреждения о
ракетном нападении предусматривала интеграцию с существующими
и вновь создававшимися средствами противоракетной обороны. В
рамках этой программы в систему предупреждения были включены
РЛС «Дунай-3» (Кубинка) и «Дунай-3У» (Чехов) системы ПРО Москвы.
Кроме окончания строительства РЛС «Днепр» в Балхаше, Мишелевке, Севастополе и Скрунде было запланировано создание новой
РЛС этого типа на новом узле в Мукачево (Украина). Таким образом,
РЛС «Днепр» должны были стать основой новой системы предупреждения о ракетном нападении. Первая очередь этой системы, в состав
которой входили РЛС на узлах в Оленегорске, Скрунде, Балхаше-9 и
Мишелевке, начала боевое дежурство 29 октября 1976 г. Вторая очередь, в состав которой входили РЛС на узлах в Севастополе и Мукачево, была поставлена на боевое дежурство 16 января 1979 г.
В начале 70-х гг. прошлого века появились новые типы угроз –
баллистические ракеты с разделяющимися и активно маневрирующими головными частями, а также стратегические крылатые ракеты,
применяющие меры пассивного (ложные цели, РЛ-ловушки) и активного (постановка помех) противодействия. Обнаружение их также
затруднялось внедрением систем снижения радиолокационной заметности (технология «Стелс»). Для соответствия новым условиям в
1971–1972 гг. был разработан проект новой РЛС СПРН тип «Дарьял».
В 1984 г. была сдана госкомиссии и заступила на боевое дежурство
станция этого типа в г. Печора, Республика Коми. Аналогичная станция была построена в 1987 г. в Габале, Азербайджан (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Печорская радиолокационная станция

Строительство РЛС под Чернобылем (Черниговом) на узле «Дуга-1» было закончено в 1985 г., и она вошла в состав системы ПВО
страны. Строительство станции вблизи Чернобыльской АЭС обьяснялось ее высокой энергоемкостью. Первоначально радар радиолокационного узла, часто называемый «Чернобыль-2», работал на частотах
50

между 3,26 и 17,54 Мгц. С началом работы станции ее передатчик
начал блокировать частоты связи и частоты, предназначенные для работы авиации. Впоследствии радар был модифицирован так, что стал
пропускать эти частоты, перемещая свой сектор обнаружения. Станция способна была обнаружить старт КР «Томагавк» с АПЛ в Атлантическом океане. Большая мощность станции приводила к тому, что
при работе она издавала звук, подобный стуку дятла. Государственные
испытания станции были начаты в начале 1986 г., но с момента аварии
на ЧАЭС станция была законсервирована, а в 1987 г. было принято
решение о закрытии объекта.
В соответствии с проектом системы предупреждения о ракетном
нападении, помимо надгоризонтных и загоризонтных РЛС, в нее должен
был входить и космический эшелон. Он позволял значительно расширить ее возможности за счет способности обнаруживать баллистические
ракеты практически сразу после старта. Головным разработчиком космического эшелона системы предупреждения был Центральный научноисследовательский институт «Комета», а за разработку космических аппаратов отвечало Конструкторское бюро имени С. А. Лавочкина.
К 1979 г. была развернута космическая система раннего обнаружения стартов МБР из четырех космических аппаратов (КА) УС-К
(система «Око») на высокоэллиптических орбитах. Для приема, обработки информации и управления космическими аппаратами системы в
Серпухове-15 (70 км от Москвы) был построен пункт управления
СПРН. После проведения летно-конструкторских испытаний система
первого поколения УС-К была принята на вооружение в 1982 г. Она
предназначалась для наблюдения за континентальными ракетоопасными районами США. Для уменьшения засветки фоновым излучением Земли, отражениями солнечного света от облаков и бликами спутники вели наблюдение не вертикально вниз, а под углом. Для этого
апогеи высокоэллиптической орбиты были расположены над Атлантическим и Тихим океанами. Дополнительным преимуществом такой
конфигурации была возможность наблюдать за районами базирования
американских МБР на обоих суточных витках, поддерживая при этом
прямую радиосвязь с командным пунктом под Москвой либо с Дальним Востоком. Такая конфигурация обеспечивала условия для наблюдения примерно 6 часов в сутки для одного спутника. Чтобы обеспечить круглосуточное наблюдение, необходимо было иметь на орбите
не менее четырех космических аппаратов одновременно. В действительности же, для обеспечения надежности и достоверности наблюдений в состав группировки должны были входить девять спутников.
Это позволяло иметь необходимый резерв на случай преждевременного выхода спутников из строя. К тому же наблюдение велось одновре51

менно двумя либо тремя КА, что снижало вероятность выдачи ложного сигнала от засветки регистрирующей аппаратуры прямым или отраженным от облаков солнечным светом. Такая конфигурация из
9 спутников была впервые создана в 1987 г.
В дополнение с 1984 г. на геостационарной орбите размещался
один КА УС-КС (система «Око-С»). Он представлял собой тот же базовый спутник, несколько модифицированный для работы на геостационарной орбите.
Эти спутники помещались в точку стояния на 24° западной долготы, обеспечивая наблюдение за центральной частью территории
США на краю видимого диска Земли. Спутники на геостационарной
орбите обладают существенным преимуществом – они не изменяют
свою позицию относительно Земли и могут обеспечить постоянную
поддержку группировке спутников на высокоэллиптических орбитах.
Увеличение числа ракетоопасных районов потребовало обеспечить обнаружение стартов БР не только с континентальной территории США, но и из остальных районов земного шара. В связи с этим
ЦНИИ «Комета» приступил к разработке системы второго поколения
для обнаружения стартов БР с континентов, морей и океанов, которая
являлась логическим продолжением системы «Око». Ее отличительной особенностью, помимо размещения спутника на геостационарной
орбите, стало применение вертикального наблюдения за стартом ракет
на фоне земной поверхности. Такое решение позволяет не только регистрировать факт пуска ракет, но и определять азимут их полета.
Развертывание системы УС-КМО началось в феврале 1991 г. запуском первого космического аппарата второго поколения. В 1996 г.
система УС-КМО («Око-1») с КА на геостационарной орбите была
принята на вооружение.
По состоянию на 23 октября 2007 г. орбитальная группировка
СПРН состояла из трех спутников – 1 УС-КМО на геостационарной
орбите («Космос-2379» выведен на орбиту 24 августа 2001 г.) и 2 УСКС на высокоэллиптической орбите («Космос-2422» выведен на орбиту 21 июля 2006 г., «Космос-2430» выведен на орбиту 23 октября
2007 г.). 27 июня 2008 г. был запущен «Космос-2440».
Для обеспечения решения задач обнаружения стартов БР и доведения команд боевого управления Стратегическим ядерным силам
(СЯС) предполагалось на базе систем УС-К и УС-КМО создание Единой космической системы (ЕКС).
С начала 2012 г. проводится плановое развертывание радиолокационных станций высокой заводской готовности (РЛС ВЗГ) «Воронеж» (рис. 1.4) с целью формирования замкнутого радиолокационного
поля предупреждения о ракетном нападении на новом технологиче52

ском уровне со значительно улучшенными характеристиками и возможностями. На настоящий момент развернуты новые РЛС ВЗГ в
Лехтуси (одна метровая), Армавире (две дециметровые), Светлогорске
(дециметровая). С опережением графика проведено строительство комплекса сдвоенной РЛС ВЗГ метрового диапазона в Иркутской области (Мишелевка) – первый сегмент юго-восточного направления поставлен на опытно-боевое дежурство, комплекс со вторым антенным полотном для обзора восточного направления поставлен на ОБД в 2014 г.

Рис. 1.4. РЛС СПРН метрового диапазона «Воронеж-М»
в Лехтуси под Санкт-Петербургом

Станции СПРН России на территории Украины. В декабре
2005 г. президент Украины Виктор Ющенко сообщил о передаче
США пакета предложений относительно сотрудничества в ракетнокосмической сфере. После их оформления в соглашение американские
специалисты должны были получить доступ на объекты космической
инфраструктуры, находящиеся в подчинении национального космического агентства Украины (НКАУ), включая две радиолокационные
станции «Днепр» системы предупреждения о ракетном нападении
(СПРН) в Севастополе (после присоединения АР Крым данный вопрос
уже не рассматривается) и Мукачево, информация с которых передавалась на центральный командный пункт СПРН в Солнечногорске.
В отличие от арендуемых Россией и обслуживаемых российскими военнослужащими РЛС СПРН, расположенных в Азербайджане,
Белоруссии и Казахстане, украинские РЛС с 1992 г. не только находятся в собственности Украины, но и обслуживались украинскими
военными. На основании межгосударственного соглашения информация с этих РЛС, ведущих наблюдение за космическим пространством
53

над Центральной и Южной Европой, а также Средиземноморьем, поступает на центральный командный пункт СПРН в Солнечногорске,
подчиненный космическим войскам России. За это Украина ежегодно
получала $1,2 млн.
В феврале 2005 г. министерство обороны Украины потребовало
от России увеличить оплату, но Москва отказалась, напомнив, что
соглашение 1992 г. заключалось на 15 лет. Тогда в сентябре 2005 г.
Украина начала процесс передачи РЛС в подчинение НКАУ, имея в
виду переоформление соглашения в связи с изменением статуса
РЛС. Россия не могла воспрепятствовать доступу американских специалистов к РЛС. При этом России пришлось бы ускоренными темпами разворачивать на своей территории новые РЛС «Воронеж-ДМ»,
что она и сделала, поставив на дежурство узлы под краснодарским
Армавиром и калининградским Светлогорском.
В марте 2006 г. министр обороны Украины Анатолий Гриценко
заявил, что Украина не будет сдавать в аренду США две станции предупреждения о ракетном нападении в Мукачево и Севастополе.
В июне 2006 г. генеральный директор Национального космического агентства Украины (НКАУ) Юрий Алексеев сообщил, что Украина и Россия договорились об увеличении в 2006 г. платы за обслуживание в интересах российской стороны РЛС в Севастополе и Мукачеве
«в полтора раза».
26 февраля 2009 г. радиолокационные станции в Севастополе и
Мукачево прекратили передачу информации в Россию и начали работать исключительно в интересах Украины. Руководство Украины приняло решение разобрать обе станции в течение ближайших 3–4 лет.
Воинские части обслуживания станций уже расформированы.
После воссоединения Крыма с Россией в 2014 г. запланированы модернизация станции в Севастополе и возвращение ее в строй к 2016 г.
Узел

Расположен

Азимут

Тип

Ввод

МодерВывод
низация

Состояние

135° Днестр-М 11971

1976
(Днепр)

Функционирует

135° Днестр-М 11971

1976
(Днепр)

Функционирует

265° Днестр

11967

1993
(РНР)

265° Днестр

11967

ОС-1 Мишелевка

ОС-2 Сары-Шаган 60°

1974
Днестр-М 11971
(Днепр)

54

1990

Используется
ИСЗФ СО РАН
для исследований

1990

Демонтирован

1988

Демонтирован

Узел

Расположен

Азимут
60°

РО-1

Оленегорск

РО-2

Скрунда

Тип

Ввод

Днестр-М 11971

МодерВывод
низация
1974
(Днепр)

Состояние

1984

Демонтирован

270° Днестр

11967

1984

Демонтирован

270° Днестр

11967

1995

Демонтирован

152° Днепр

11974

Функционирует

308° Днестр-М 11971

1978
(Днепр)

Функционирует
как передатчик
для «Даугавы»

308° Днестр-М 11971

1979
(Днепр)

1998

Демонтирован

308° Днепр

11977

1998

Демонтирован

РО-4

Севастополь 200° Днепр

11979

2009

Запланирована
модернизация и
возвращение в
строй к 2016 г.

РО-5

Мукачево

11979

2009

Заброшен

228° Днепр

1.3.8. Радиоэлектронная борьба
Вполне естественно, что в связи с развитием радиоэлектроники
произошло ее активное вовлечение в военную деятельность. Это
впоследствии привело к новому виду военного действия – радиоэлектронной борьбе (РЭБ). РЭБ – разновидность вооруженной борьбы, в ходе которой осуществляется воздействие радиоизлучениями
(радиопомехами) на радиоэлектронные средства систем управления,
связи и разведки противника в целях изменения качества циркулирующей в них военной информации, защита своих систем от аналогичных воздействий, а также изменение условий (свойств среды)
распространения радиоволн.
Составными частями РЭБ являются радиоэлектронное подавление и радиоэлектронная защита. Объектами воздействия в ходе РЭБ
являются важные радиоэлектронные объекты (элементы систем
управления войсками и оружием, использующие радиосредства),
нарушение или срыв работы которых приведет к снижению эффективности применения противником своих вооружений.
Целями радиопомех являются радиолинии связи, управления,
наведения, навигации. Помехи воздействуют, главным образом, на
приемную часть радиосредств. Для создания радиопомех используются активные и пассивные средства. К активным относятся средства,
которые для формирования излучений используют принцип генериро55

вания (например, передатчики, станции помех). Пассивные средства –
используют принцип отражения (переизлучения) (например, дипольные и уголковые отражатели и др.).
В настоящее время РЭБ представляет собой комплекс согласованных мероприятий и действий войск, которые проводятся в целях:
 снижения эффективности управления войсками и применения
оружия противника;
 обеспечения заданной эффективности управления войсками;
 применения своих средств поражения.
Достижение указанных целей осуществляется в рамках поражения систем управления войсками и оружием, связи и разведки противника путем изменения качества циркулирующей в них информации,
скорости информационных процессов, параметров и характеристик
электронных средств; защиты своих систем управления, связи и разведки от поражения, а также охраняемых сведений о вооружении, военной технике, военных объектах и действиях войск от технических
средств разведки иностранных государств (противника) путем обеспечения заданных требований к информации и информационным процессам в автоматизированных системах управления, связи и разведки,
а также свойств электронных средств.
В ходе РЭБ: поражение обеспечивается преднамеренным воздействием различными видами излучений на электронные средства, каналы получения и передачи информации, специальным программнотехническим воздействием на электронно-вычислительные средства
противника; свои системы управления, связи и разведки защищаются
от аналогичных воздействий противника, а также от непреднамеренных воздействий излучениями, возникающими вследствие совместного применения электронных средств; защита охраняемых сведений
осуществляется их скрытием или (и) введением противника в заблуждение относительно их действительного содержания. Объектами РЭБ
являются носители информации (поля и волны различной природы,
потоки заряженных частиц), среда их распространения и электронные
средства и системы. Таким образом, РЭБ является составной частью,
технической основой информационной борьбы.
Профессиональный праздник специалиста по радиоэлектронной
борьбе в России отмечается 15 апреля.
Составные части РЭБ включают:
 Радиоэлектронное подавление – комплекс мероприятий и действий по срыву (нарушению) работы или снижению эффективности
боевого применения противником радиоэлектронных систем и средств
путем воздействия на их приемные устройства радиоэлектронными
помехами. Включает радио-, радиотехническое, оптико-электронное и
56

гидроакустическое подавление. Радиоэлектронное подавление обеспечивается созданием активных и пассивных помех, применением ложных целей, ловушек и другими способами. На рис. 1.5 представлена
самолетная станция радиопомех AN/ALQ-184.

Рис. 1.5. Обслуживание самолетной станции радиопомех AN/ALQ-184

 Радиоэлектронная защита – составная часть радиоэлектронной борьбы, направленная на обеспечение устойчивой работы радиоэлектронных средств (РЭС) в условиях воздействия преднамеренных
радиопомех противника, электромагнитных излучений оружия функционального поражения, электромагнитных и ионизирующих излучений, возникающих при применении ядерного оружия, а также в условиях воздействия непреднамеренных радиопомех. Основу РЭС составляют: обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС,
комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение помехоустойчивости РЭС в условиях воздействия
на них непреднамеренных помех; защита РЭС от преднамеренных
помех, комплекс организационных и технических мероприятий,
направленных на обеспечение помехозащищенности РЭС в условиях
воздействия на них преднамеренных помех; защита РЭС от электромагнитных и ионизирующих излучений, комплекс организационных и
технических мероприятий по обеспечению надежности функционирования РЭС в условиях воздействия на них излучений, приводящих к
функциональному поражению элементной базы; защита от воздействия ложных сигналов, комплекс организационных и технических
мероприятий, направленных на воспрещение противнику возможности ввода в системы и средства информации (сообщений) при передаче им ложных сигналов.
 Радиоэлектронная разведка – сбор разведывательной информации на основе приема и анализа электромагнитного излучения. Ра57

диоэлектронная разведка использует как перехваченные сигналы из
каналов связи между людьми и техническими средствами, так и сигналы работающих РЛС, станций связи, станций радиопомех и иных
радиоэлектронных средств.
Комплексный технический контроль – контроль над состоянием
функционирования своих радиоэлектронных средств и их защиты от
технических средств разведки противника. Осуществляется в интересах радиоэлектронной защиты. Включает радио-, радиотехнический,
фотографический, визуально-оптический контроль, а также контроль
эффективности защиты информации от ее утечки по техническим каналам при эксплуатации средств передачи и обработки информации.
Электромагнитное воздействие (импульс), выводящее из строя
электронное, коммуникационное и силовое оборудование противника.
Поражающий эффект достигается за счет наведения индукционных
токов. Впервые отмечено при ядерных взрывах в атмосфере.
В настоящее время для создания поражающего импульса используются магнетроны. Электромагнитные системы поражения стоят на
вооружении в США и других странах НАТО.
Впервые радиоэлектронная борьба была применена силами ВМФ
России в ходе Русско-японской войны. 15 апреля 1904 г. во время артиллерийского обстрела, который японская эскадра вела по внутреннему рейду Порт-Артура, радиостанции российского броненосца «Победа» и берегового поста «Золотая гора» путем создания преднамеренных помех серьезно затруднили передачу телеграмм вражеских
кораблей-корректировщиков.
Тем не менее радиосредства в то время в основном использовались для обеспечения связи, выявления каналов связи противника и
перехвата передаваемой по ним информации. Предпочтение отдавалось перехвату радиопередач, а не их подавлению. Однако в годы
Первой мировой войны радиопомехи стали эпизодически применяться
для нарушения радиосвязи между штабами армий, корпусов и дивизий
и между военными кораблями. Вместе с тем в германской армии уже
тогда появились специальные станции радиопомех.
В период между мировыми войнами активно развивается радиосвязь, появляются средства радиопеленгации, радиоуправления и радиолокации. В результате кардинально меняется концепция управления и взаимодействия сухопутных войск, ВВС и ВМФ. Все это привело к дальнейшему развитию способов и техники противодействия радиоэлектронным средствам противника.
Во время Второй мировой войны страны-участники активно использовали средства радиоэлектронного и гидроакустического подавления. Были сформированы и широко применялись для обеспечения
58

боевых действий специальные части и подразделения радиопомех.
Был накоплен большой опыт ведения разведки и создания радиопомех, а также радиоэлектронной защиты.
В послевоенное время продолжается развитие средств радиоэлектронной борьбы. Появляются новые средства радиопомех корабельного и авиационного базирования (рис. 1.6).

Рис. 1.6. EA-6B «Праулер» – самолет радиоэлектронной борьбы,
используемый ВМС США

В современных войнах и военных конфликтах роль радиоэлектронной борьбы продолжает возрастать. Разработка и принятие на
вооружение многих государств высокоточного и высокотехнологичного оружия приводит к появлению новых объектов радиоэлектронного воздействия. Применение противорадиолокационных ракет значительно снижает живучесть современных радиоэлектронных средств
(РЛС, комплексов ПВО), построенных на базе активных средств радиолокации. Широкое применение спутниковых систем разведки, связи и навигации вызывает необходимость их нейтрализации, в том числе, путем радиоэлектронного подавления. Разрабатываются портативные средства радиоэлектронной разведки и помех для борьбы с новыми средствами связи и навигации, поиска и нейтрализации радиофугасов и других устройств дистанционного подрыва. Средства РЭБ получили возможности системно-программного воздействия на АСУ и на
другие вычислительные комплексы.
В XXI в. – системы ЭМ-оружия установлены на самолете радиоэлектронной борьбы ВМФ США – EA-18 Growler. Оружие позволяет
подавлять системы электронной коммуникации противника и при
необходимости уничтожать их, а также выводить из строя электронные системы противника, в том числе системы наведения ПВО и электронные элементы управления самолетов противника. Впервые
59

Growler был применен в операции НАТО в Ливии в 2011 г.; ЭМсистемой защиты от самонаводящихся ракет снабжен истребитель
НАТО F-35. Действие системы основано на дистанционном разрушении электронных систем наведения ракет направленным электромагнитным импульсом систем индивидуальной защиты (бортовыми комплексами обороны, БКО) – БКО «Талисман» оснащены истребители
МиГ-29 и штурмовики Су-25 ВВС Беларуси и самолеты Су-27УБМ2
ВВС Казахстана. Действие БКО «Талисман» основано на разрушении
работы моноимпульсной пеленгации, что приводит к срыву наведения
зенитной или авиационной управляемой ракеты.
Разработкой средств радиоэлектронной борьбы в России занимются: Центральный научно-исследовательский институт МО РФ;
Научно-исследовательский центр оперативно-стратегических обоснований 24 ЦНИИ МО РФ; Научно-исследовательский центр радиоэлектронного вооружения 14 ЦНИИ МО РФ; Научно-исследовательский
центр связи 34 ЦНИИ МО РФ; Федеральный государственный научноисследовательский центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности МО РФ.

1.4. Лев Сергеевич Термен
В завершение раздела, посвященного первому этапу развития
электроники, следует рассказать об электронщике от Бога, создателе
электромузыкальных инструментов, радиооборудования самолетов,
систем подслушивания и многого другого.

***
Лев Сергеевич Термен (28 августа 1896,
Санкт-Петербург – 3 ноября 1993, Москва) был
первенцем в семье известного петербургского
юриста Сергея Эмильевича Термена. Несмотря
на приличный по тем временам достаток, Термены занимали достаточно скромную квартиру
на Николаевской улице, и юный Лев провел
первые годы жизни в одной комнате с бабушкой. Примерно в два года он уже довольно хорошо
читал и расспрашивал обо всем отца; его первой
книгой стали не сказки, а словарь Брокгауза и Эфрона в отцовском кабинете.
Родители не жалели средств на образование: Леон брал уроки игры на
виолончели, для него в квартире были оборудованы физическая лаборатория и
домашняя обсерватория. При этом учился мальчик в сравнительно недорогой
государственной Петербургской первой мужской гимназии. С третьего класса
страстью Льва стала физика. После нешуточной борьбы с учителем за право
рассказывать про физические процессы «по-своему», а не по учебнику – снача-

60

ла нахальный ученик даже получил за это «пару», – Лев завоевал в школе репутацию если не гения, то кого-то к нему очень близкого.
Десяти лет от роду, в четвертом классе будущая знаменитость впервые
выступает публично: в большом зале гимназии Лев Термен демонстрирует «резонанс типа Тесла». К специальной катушке подносилась лампочка с люминесцентным газом, и она еще на заметном удалении от катушки уже начинала светиться. Учитель физики был очень впечатлен, так как считал, что такие вещи,
может, где-то и делают, но не в России.
Гимназию Лев Термен окончил с серебряной медалью в 1914 г., после поступил одновременно в консерваторию и на два факультета университета: физики и астрономии. Увы, его учебе помешала начавшаяся мировая война: Лев
Сергеевич успел окончить только консерваторию по классу виолончели с дипломом «свободного художника».
В начале 1917 г. юного студиозуса определили, как было положено, на
полгода в военную школу, а потом в Высшее Николаевское военно-инженерное
училище, которое он окончил подпоручиком, после чего был назначен в радиотехнический батальон в Петрограде. К счастью для Термена, его миновала отправка на фронт, и революция застала его младшим офицером запасного электротехнического батальона, обслуживавшего самую мощную в империи Царскосельскую радиостанцию под Петроградом.
О годах Гражданской войны, как, впрочем, и о других периодах своей долгой жизни, Термен рассказывал скупо, многое не договаривая. Он вспоминал,
что его призвали в Красную армию и он служил на той же радиостанции, а затем
в военной радиолаборатории в Москве.
Есть, однако, и свидетельства в пользу того, что в 1919 г. Л. С. Термена
арестовывали «по делу белогвардейского заговора». Что именно происходило
во время следствия, установить не удалось, но дело до ревтрибунала не дошло.
В 1920 г. Термена освободили. После демобилизации из Красного электротехнического батальона Абрам Федорович Иоффе пригласил Льва Сергеевича в физикотехнический отдел Рентгенологического института заведовать лабораторией. Будущему академику Иоффе не пришлось пожалеть о сделанном им выборе.
Однажды Абрам Федорович Иоффе рассказал Термену о ряде проблем,
связанных с измерением диэлектрической постоянной некоторых сложных газов
и их смесей при определенных температурных состояниях, попросив придумать
устройство, измеряющее эти вариации по изменению электроемкости конденсатора, заполненного газом. Увидев большое количество разных электронных
схем в полумакетном выполнении и пронаблюдав их действие, он предложил
Термену занять значительно большее помещение – большую чертежную, специальный зал электротехнического факультета политехнического института.
В новом помещении Термен построил конденсаторное устройство для измерения диэлектрической постоянной газов с чувствительностью до миллионных долей процента. Измерение температуры производилось болометрическим
методом с применением усилителей постоянного тока и мостовых схем с модуляцией частотной составляющей. Для устранения механических влияний система имела специальный амортизирующий подвес.
Система отлично работала, и Термену с Иоффе захотелось найти для нее
дополнительные применения. Первое лежало на поверхности: система могла
бы использоваться как сигнализация, срабатывающая при приближении человека на расстояние 2-3 м к открытому проводнику-антенне.
Сигнализация – это полезно, но не зрелищно. Музыкальное образование
Термена натолкнуло его на мысль: вместо банального вольтметра включить в
контур наушник (динамиков тогда еще не было) – колебания-то лежат в диапазоне слышимых звуков… Сказано – сделано: после дополнения прибора управ-

61

ляемым ножной педалью угольным реостатом для изменения громкости, на свет
родился этеротон («звук из эфира»), позднее переименованный в терменвокс –
«голос Термена».
Идея использовать электричество в целях музыкального искусства была
не новой. В одном экзотическом изобретении начала века, когда еще не было
электроники, использовалась «поющая дуга» – звучали разряды на острие электрода, подсоединенного к вторичной обмотке трансформатора Теслы. Большую
известность получил инструмент американца Кахилла, представлявший собой
набор электрогенераторов общим весом до 200 т, каждый из которых возбуждал
свою частоту. Похоже, это был первый в мире MIDI-синтезатор…
Электромузыкальный инструмент Кахилла занимал целое здание, а слушать его предлагалось… через наушники. Впрочем, наушников этих было много:
инструмент-монстр был подключен к телефонной сети Нью-Йорка. В каком-то
смысле Термену повезло – в его распоряжении уже были радиолампы и громкоговорители, – однако это везение не отменяет того факта, что именно зарегистрированный Львом Сергеевичем в 1921 г. патент № 780 «Музыкальный прибор с катодными лампами» стал первым в мире концертным электромузыкальным инструментом. Первым его слушателем стал Абрам Федорович Иоффе, а
первым исполненным на нем произведением – «Лебедь» Сен-Санса.
Изначально несколько скептическое отношение коллег по институту –
«Термен играет Глюка на вольтметре» – вскоре сменилось признанием. Причем
не столько талантов Термена как музыканта или инженера, сколько огромной
пропагандистской ценности терменвокса для страны, для партии, для института.
После нескольких, так сказать, камерных выступлений, 5 октября 1921 г. и изобретатель терменвокса выступает на VIII Всероссийском электротехническом
съезде – том самом, на котором обсуждался план ГОЭЛРО.
Советская власть уже была, и теперь для построения коммунизма нужна
была электрификация всей страны. А что есть электромузыкальный инструмент
как не яркий и наглядный пример «электрификации музыки»? Советские газеты
с восторгом называли изобретение Термена «началом века радиомузыки» и
«музыкальным трактором, идущим на смену сохе». А «Известия» дали «музыкальному трактору» имя – «терменвокс».
Спустя некоторое время после съезда, в марте 1922 г., Термен был приглашен в Кремль для показа Владимиру Ильичу Ленину сигнализации и терменвокса. Демонстрация происходила утром, в присутствии членов ВЦИКа; аккомпанировала на рояле секретарь Ленина Лидия Александровна Фотиева. Исполнялись «Аве Мария», ноктюрн Шопена и романс «Не искушай меня без нужды».
Ленин сам попробовал сыграть на терменвоксе и хорошо исполнил «Жаворонка» Глинки. В полном восторге вождь сказал, что такие достижения надо
широко пропагандировать по всей стране, и велел выдать изобретателю мандат, дающий право беспрепятственного проезда по всем железным дорогам
России (позднее Термен провел около 180 лекций-концертов по всей стране).
Сигнализация имела не меньший успех. Емкостный датчик присоединили
к большой вазе с цветком, при приближении к которой срабатывал звуковой
сигнал. Сигнал сработал исправно даже тогда, когда какой-то военный надел на
голову теплую шапку, обернул руку и ногу шубой и в таком виде стал медленно
подползать к вазе на корточках. Сигнализация сработала, присутствующие зааплодировали, Ленин был в полнейшем восторге.
В конце встречи Ленин дал Термену два совета – вступить в партию и почаще демонстрировать свой музыкальный инструмент народу. А также написал
записку наркомвоенмору Льву Троцкому: «Обсудить, нельзя ли уменьшить караулы кремлевских курсантов посредством введения в Кремле электрической
сигнализации? (Один инженер, Термен, показывал нам в Кремле свои опы-

62

ты…)» Курсантов терменовская сигнализация не заменила, но исправно применялась в Гохране, «Эрмитаже» и банках [22].
Если, проходя случайно мимо здания Министерства обороны Российской
Федерации, что в Москве, вы увидите на его стене камеру видеонаблюдения,
знайте: это скромное устройство может с полным правом праздновать свой
восьмидесятилетний юбилей. Весной 1926 г. вездесущий Термен установил
объектив камеры над входом в Наркомат обороны, а экран – в приемной
наркомвоенмора Ворошилова. Ворошилов демонстрировал свою новую любимую игрушку гостям – Орджоникидзе, Буденному, Тухачевскому – и те радовались как дети, когда на экране появлялся хорошо узнаваемый Сталин: трубка,
усы и все такое… Терменовская установка обеспечивала чересстрочную развертку на сто строк (в шесть раз меньше, чем в современных телевизорах) и
имела экран 1,5Ч1,5 м (т. е. его диагональ была больше двух метров).
Телевидением (точнее – «дальновидением», как это тогда называлось)
Термен тоже занялся с подачи своего наставника и покровителя А. Ф. Иоффе во
второй половине 1924 г. Решив завершить образование в Петроградском политехническом институте, Лев Сергеевич занялся модной в то время проблемой
дальновидения и в 1925 г. изготовил опытный образец телевизионной установки.
Для самого Термена идея дальновидения не была новой: уже в 1921 г. он
выступал с обзором работ по дальновидению на семинаре в Физикотехническом институте, а через год – в Петроградском отделении Российского
общества радиоинженеров.
Для решения поставленной задачи Термен выбрал, как всегда, свой собственный, оригинальный подход, собрав уже известные приборы и устройства
новым, неожиданным образом.
Термен разработал и изготовил четыре варианта телевизионной системы,
включающей в себя передающее и приемное устройства. Первый вариант, демонстрационный, созданный в конце 1925 г., был рассчитан на 16-строчное разложение изображения. На этой установке можно было «увидеть» элементы,
например, лица человека, но узнать, кого именно показывают, было невозможно. Во втором, также демонстрационном, варианте использовалась уже чересстрочная развертка на 32 строки.
Весной 1926 г. был сделан третий вариант, положенный в основу дипломной работы Термена. В нем использовалась чересстрочная развертка на 32 и на
64 строки, изображение воспроизводилось на экране размером 1,5Ч1,5 м.
Уже первые опыты показали, что удалось получить изображение достаточно высокого качества: можно было узнать человека – правда, если он не
делал резких движений. Первая успешная публичная демонстрация «терменвизора» состоялась 7 июня 1926 г. в актовом зале Физико-технического института,
во время защиты дипломного проекта Льва Термена «Установка для передачи
изображения на расстояние». 16 декабря 1926 г. состоялась еще одна и, пожалуй, последняя публичная демонстрация этой установки дальновидения на V
Всесоюзном съезде физиков в Москве. Почти сразу после этого Термена вызвали в Совет труда и обороны, где предложили создать телевизионную систему
специально для пограничных воинских частей. Все работы в этой области были
сразу же строго засекречены.
Технические требования к установке предъявлялись очень строгие: она
должна была работать на открытом воздухе при обычном дневном освещении и
быть рассчитана на 100-строчное разложение изображения. Этот четвертый
вариант установки и простоял в течение нескольких месяцев в приемной Ворошилова в Кремле, позволяя обозревать на большом экране и кремлевский двор,
и отдельных людей, проходящих по этому двору.

63

Практика показала, что разработанная Л. С. Терменом конструкция установки дальновидения оказалась вполне работоспособной, и более того – последний вариант ее предназначался для работы в армии, где традиционно
предъявляются очень жесткие требования к аппаратуре.
В 1926 г., еще до засекречивания работ, журнал «Огонек» и газета «Известия» успели проинформировать об этих экспериментах, но с 1927 по 1984 г.
никаких открытых публикаций о работах Термена в области телевидения больше не было, а сами эти работы уже никак не влияли на развитие телевидения у
нас в стране и в мире.
Летом 1927 г. во Франкфурте-на-Майне должна была состояться международная конференция по физике и электронике. Кого было послать туда, как не
Термена с его инструментом? Термен едет в Германию – и немедля производит
настоящий фурор. Западные газеты захлебываются хвалебными эпитетами:
«небесная музыка», «голоса ангелов»… А крупнейшие концертные залы наперебой зазывают русского, играющего Глюка на вольтметре. Одно за другим
следуют приглашения из Берлина, Лондона, Парижа... В Париже консервативный театр «Гранд-опера» впервые в своей истории отдал зал на целый вечер
какому-то неизвестному русскому – такого аншлага (продавали даже стоячие
билеты в ложи) и такого успеха в театре не видели уже 35 лет.
Тем временем Иоффе, который в это время находился в США, получил
заказы от нескольких фирм на изготовление двух тысяч терменвоксов с тем
условием, что Термен приедет в Америку курировать работы. И Термен поехал.
В Америке его снова ждал успех. Знакомства со звездой искали выдающиеся музыканты, артисты, ученые и бизнесмены. В гостях у Термена бывал
Чарли Чаплин, дуэтом с ним любил играть скрипач и физик Альберт Эйнштейн.
Первое время доходы от выступлений позволяли Термену жить на широкую
ногу. Он даже арендовал на 99 лет помещение в шестиэтажном доме на Западной 54-й улице в центре Нью-Йорка. Термен продал лицензию на изготовление
терменвоксов корпорации «Дженерал электрик» и RCA (Radio Corporation of
America) и с разрешения советских властей основал в Нью-Йорке фирму-студию
Teletouch Corporation по производству терменвоксов.
Терменвоксы, однако, не могли обеспечить большую прибыль: играть на
них мог только профессиональный музыкант, да и то лишь после долгих упражнений (даже Термена регулярно обвиняли в том, что он безбожно фальшивит).
Соответственно, в Штатах было продано лишь порядка трехсот терменвоксов, а
Teletouch Corporation переключилась на второе терменовское изобретение –
емкостную сигнализацию. Только за металлодетекторы для знаменитой тюрьмы
Алькатрас компания Термена получила около 10 тыс. долл. Были заказы на
подобные устройства для не менее известной тюрьмы Синг-Синг и хранилища
американского золотого запаса в Форт-Ноксе, а также на разработку охранной
сигнализации для оборудования американо-мексиканской границы. Береговая
охрана предложила Термену разработать систему дистанционного подрыва
группы мин с помощью одного кабеля. Именно это направление позволило Teletouch
Corporation пережить Великую Депрессию, разразившуюся на рубеже 30-х.
В США Термен продолжает заниматься изобретательством, развивая и
совершенствуя свои ранние изобретения. Как развитие идеи терменвокса появляется терпситрон – устройство для прямого преобразования танца в музыку;
ведутся эксперименты с цветомузыкальными системами. Продолжаются работы
по дальновидению: камера безопасности стоит в нью-йоркском доме изобретателя, Термен успешно занимается опытами по передаче на расстояние цветного
изображения. Совершенствовались и системы сигнализации. Тем не менее, по
признанию самого Термена, он рассчитывал, что своими изобретениями приобретет мировую известность, положение и деньги, но этого достичь не сумел и,

64

по сути, до дня своего отъезда в Советский Союз оставался владельцем кустарной мастерской.
Вскоре после приезда в США Термен попадает в поле зрения НКВД, и
наркомат решает использовать его в разведывательных целях. По словам самого Термена, большинство заданий были простыми – например имелся самолет номер такой-то, и нужно было узнать диаметр глушителя. Термен был вхож во многие
места и без особого труда добывал нужную советской разведке информацию.
Первая жена Термена, Катя Константинова, на которой Лев Сергеевич
женился в 1921 г., последовала за мужем в США. Однако позднее она оказалась
замешана в скандале с фашистской организацией – и советское посольство в
Нью-Йорке оформило Термену развод.
В 1934 г. судьба сводит Льва Термена с восемнадцатилетней эмигранткой
из России Кларой Рейзенберг. В детстве она слыла чудо-ребенком, скрипачкой с
великим будущим. Но то ли «переиграла» руки, то ли из-за голодного детства,
но со скрипкой ей пришлось расстаться: мышцы не выдерживали нагрузок. А вот
терменвокс оказался впору, и Клара быстро научилась играть на нем. Что пришлось
очень кстати – ведь игра Термена на его собственном изобретении была отнюдь не
виртуозной и вызывала все больше нареканий пресытившейся публики.
Однако не талантливая Клара стала второй женой Термена – ею оказалась Лавиния Уильямс, прекрасная танцовщица-мулатка из труппы Афроамериканской балетной компании, с которой Термен работал над терпситроном. Брак,
заключенный с ней, сделал Термена счастливым – и закрыл перед ним большинство дверей: чопорное и консервативное американское общество шокировали межрасовые браки. Вскоре после этого иссяк и поток поставляемой Терменом разведывательной информации, после чего Родина в лице НКВД ощутила непреодолимую потребность в возвращении своего блудного сына. Термену
было предложено вернуться в Советский Союз. Одному: жена должна была
приехать позднее – но в итоге так и не приехала. Ей не дали выездной визы – и,
наверное, это было к лучшему.
Ну а Термен… Термен возвращался на Родину, взяв с собой четверть
своего капитала. 31 августа 1938 г. под видом помощника капитана он поднялся
на советское судно «Старый большевик». В каюте капитана была потайная
дверь в каморку, где умещалась только узкая койка. Еду капитану приносили в
каюту, и солидных порций вполне хватало на двоих. На время пограничного и
таможенного досмотров потайных пассажиров перемещали в более укромные
места вроде угольных ям.
Через две недели Термен прибыл в Ленинград. Потом – в Москву. Там его
уже ждали…
Второй раз в своей жизни Лев Сергеевич Термен был арестован 10 марта
1939 г. По его собственным словам, произошло это крайне буднично: к нему в
гостиницу пришел «человек с толстым портфелем» и сказал, чтобы Термен не
волновался – работа-де найдется. «И прямо сейчас нужно поехать и выяснить все
это. Мы поехали куда-то на автомобиле – и приехали в Бутырскую тюрьму» [38].
В камере Термен провел неделю. У него не было скверного впечатления
от происходящего. В свободное время он читал Лидию Чарскую. В несвободное – ходил на допросы. Ввиду отсутствия более серьезного (и более смертоносного) компромата Термена с группой арестованных ранее астрономов Пулковской обсерватории «прицепили» к заговору с целью убийства Кирова (убитого, кстати, в то время, когда Термен находился в Штатах). Версия была такая:
Киров собирался посетить Пулковскую обсерваторию, астрономы заложили
фугас в маятник Фуко (ну да, маятник Фуко был не в Пулковской обсерватории, а
в Казанском соборе, – но кого волнуют такие мелочи?), а лично Термен радиосигналом из США должен был взорвать его, как только Киров подойдет к маят-

65

нику. За эту фантасмагорию, в сочинении неправдоподобных деталей которой
сам обвиняемый принял живейшее участие, Льву Сергеевичу дали восемь лет и
отправили на дорожное строительство в Сибирь.
Лагерный период продолжался где-то год. Как инженер, Термен возглавил
бригаду из двадцати уголовников (политические ничего делать не хотели).
Изобретя «деревянный монорельс», т. е. предложив катать тачки не по грунту, а
по деревянным желобам-направляющим, Термен зарекомендовал себя с лучшей стороны в глазах лагерного начальства: бригаде в три раза увеличили пайку, а самого Термена вскоре перевели в другое место – в Туполевскую авиационную «шарашку» в Москве, которая после начала войны переехала в Омск.
Там Термен разрабатывал оборудование для радиоуправления беспилотными
самолетами, радиолокационные системы, радиобуи для военно-морских операций.
(Кстати, в Туполевской «шарашке» в отделе Термена работал С. П. Королев.)
В начале войны за успешное выполнение заданий туполевцев наградили
орденами и Сталинскими премиями и выпустили на свободу, но не всех…
Ю. А. Круткова и Ю. Б. Румера отправили в Сухуми на объект Г (Белый архипелаг И. В. Курчатова), С. П. Королева отправили в Казань к В. П. Глушко делать
ракеты, а Л. С. Термена в некую «шарашку» НКВД заниматься разработкой систем для прослушивания разговоров в зарубежных посольствах.
Триумфом Льва Сергеевича на новом поприще стала операция «Златоуст». В День независимости, 4 июля 1945 г., американский посол в России Аверелл Гарриман получил в подарок от советских пионеров деревянное панно с
изображением орла. Панно повесили в рабочем кабинете посла, после чего
американские спецслужбы потеряли покой: началась загадочная утечка информации. Только 7 лет спустя они обнаружили внутри подарка пионеров загадочный полый металлический цилиндр с мембраной и торчащим из нее штырьком,
после чего еще полтора года разгадывали его тайну. Не было ни источников
питания, ни проводов, ни радиопередатчиков – просто при облучении внешним
электромагнитным полем подходящей частоты полость цилиндра вступала с
ним в резонанс и радиоволна переизлучалась обратно через антенну-штырек.
Колеблющаяся под действием звука мембрана модулировала частоту излученной волны. Детектировать полученный сигнал было делом техники.
За эту разработку Термен не только получил в 1947 г. по личному представлению Берии Сталинскую премию I степени (говорят, что Сталин собственноручно исправил степень со второй на первую), но и – беспрецедентный случай! – даже был выпущен на волю. Впрочем, это не намного изменило его судьбу: Термен продолжал работать в той же «шарашке» уже в качестве вольнонаемного. Он совершенствовал систему прослушивания «Буран» – теперь уже
безо всяких там загадочных цилиндров звуковые колебания снимались радиолучом с оконного стекла. Сейчас то же самое делают с помощью лазеров.
Стоит рассказать, кстати, и относительно курьезный случай. Воспользовавшись эвакуацией зарубежных дипломатов во время войны из Москвы в Куйбышев, НКВД не преминул нашпиговать московские посольства микрофонами –
при всех достижениях миниатюризации в то время подобные устройства в лучшем случае были размером с хоккейную шайбу.
Некоторое время после возвращения посольств из Куйбышева повальная
микрофонизация давала неплохие результаты, но все хорошее рано или поздно
кончается: стало известно, что из Америки едут специалисты, и, дабы избежать
дипломатического скандала, посольства стали «чистить»: выманивали дипломатов, вытаскивали мешками микрофоны… Проблема возникла в посольстве
Новой Зеландии.
Решили посоветоваться с Терменом, нельзя ли придумать что-нибудь,
чтобы американцы не нашли микрофоны. Он помозговал и порекомендовал

66

направить на посольство мощное радиоизлучение: оно, мол, заглушит приборы
американцев и не позволит найти «шайбы». Привезли его с аппаратурой, выбрали точки вокруг посольства, установили передатчики, антенны. Но пробный
пуск этой системы окончился полным провалом. Термен был изобретателем, а
не ученым, и все делал на глазок, без расчетов.
И вот... Во дворе посольства дворник в это время ломом колол лед. Когда
все включили, он лом бросил, скинул шапку, начал креститься, вопить «Свят,
свят, свят!» – и бросился в посольство. Лом у него, видите ли, полетел (по менее драматичной, но не менее впечатляющей версии – просто вырвался из рук
и встал вертикально). Термен чуть улыбнулся и сказал: «Наверное, с мощностью переборщили».
Впрочем, скандал удалось замять. Во-первых, речь шла всего лишь о Новой Зеландии. Во-вторых, Термен тоже был, как говорится, не лыком шит, смел
и на хорошем счету. По слухам, когда Берия хотел включить Термена в число
участников атомного проекта и спросил изобретателя, что ему нужно для создания атомной бомбы, Термен ответил: «Персональную машину с водителем и полторы тонны алюминиевого уголка». Берия засмеялся и оставил его в покое [38].
Шли годы, появлялись новые технологии. В 1964 г. Термен ушел из исследовательских центров КГБ. По одним слухам, из-за попыток начальства заставить его заниматься «ненаучной чепухой» – эзотерикой, телепатией и прочим, по другим – из-за собственной неспособности перейти от привычных радиоламп к полупроводникам и микросхемам.
Термен устроился на работу в Институт звукозаписи, взялся еще за пару
работ по совместительству, чтобы семья не заметила потери в зарплате. А в
1965 г., когда Институт звукозаписи закрыли, Термен перешел на работу в Московскую консерваторию. Он совершенствовал терменвоксы, дорабатывал другие задумки. Но в начале 1970-х гг. его лабораторию в консерватории ликвидировали. Последним пристанищем «отца электронной музыки» стала кафедра
акустики физфака МГУ, куда его принял на работу механиком 6-го разряда академик Рем Хохлов, тоже физик и музыкант.
В конце 1980-х гг. благодаря гласности и перестройке Запад с удивлением
узнал о том, что Термен жив. В 1989 г. Термена пригласили – и он поехал! – на
Фестиваль экспериментальной музыки во Францию. В 1991-м побывал в Нью-Йорке.
Потом – фестиваль «Шенберг – Кандинский» в Нидерландах. Тогда же Термен вступает в КПСС. На удивленные вопросы он отвечал: «Я обещал Ленину».
3 ноября 1993 г. живой легенды не стало. На похоронах Льва Сергеевича Термена присутствовали лишь дочери с семьями да несколько человек, несших гроб.
В биографии Льва Сергеевича Термена отражается история развития
отечественной электроники, как, впрочем, и других отраслей естественных
наук – достижения мирового уровня, режимные ограничения, репрессии НКВД,
честность, смелость и патриотизм ученых.

67

Глава 2

ТРАНЗИСТОР. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА

2.1. Полупроводниковая электроника
Полупроводниковая электроника радикально отлична от вакуумной. Действие электронных ламп основано на управлении током электронов, идущих от нагреваемого электрода (катода) к собирающему
электроду (аноду). Катод нагревается отдельным нагревательным элементом. Для работы такого устройства требуется значительное количество электроэнергии.
В полупроводниках не нужно подводить энергию к нагревателю,
чтобы получить свободные электроны, а собирающие электроды могут работать при весьма низких напряжениях.
Сопротивление полупроводников можно контролируемо изменять. Это осуществляется путем легирования полупроводника другими химическими элементами. Более того, выбирая тот или иной материал
для легирования, можно задавать нужный вид носителей электрического заряда (положительные или отрицательные). Поясним эту мысль.
Все химические элементы, встречающиеся в природе, можно
расположить в последовательный ряд по числу положительных зарядов, начиная с водорода, имеющего один положительный заряд в ядре
атома (заряд одного протона), и кончая ураном с 92 протонами. Положительный заряд ядра компенсируется оболочками окружающих его
электронов. Электроны внутренних оболочек довольно прочно связаны с ядром. Электроны же наружной оболочки связаны слабее; в
качестве валентных электронов они могут участвовать в химических процессах, а в качестве электронов проводимости – переносить электрический заряд (электрический ток в металлах есть поток
электронов). В таких металлах, как медь, электроны внешних оболочек практически свободны и под влиянием очень слабого электрического поля способны переносить колоссальные токи. Внешние электроны в диэлектриках связаны прочно, поэтому диэлектрики практически не проводят электричества. Полупроводники – это
промежуточный случай. Согласно распределению Больцмана, число N частиц с энергией дается соотношением
68

N = A exp[–E/kT],
где A – константа, характеризующая материал; k – постоянная Больцмана (8,6 · 10–5 эВ/К); а T – абсолютная температура, К. Отсюда видно,
что чем прочнее связь и ниже температура, тем меньше освобождается
электронов. Если в кремний, который четырехвалентен, ввести фосфор, сурьму или мышьяк, каждый атом которых имеет пять валентных
электронов, то один электрон легирующей примеси будет лишним.
Этот избыточный электрон связан слабо и легко может действовать
как электрон проводимости. Если же в кремний ввести бор, галлий
или алюминий, каждый атом которых имеет три валентных электрона,
то для образования всех связей будет недоставать одного электрона. В
этом случае перенос тока определяется электронными вакансиями,
или «дырками». На самом деле электроны под влиянием электрического поля перескакивают от одной вакантной связи к другой, что
можно рассматривать как перемещение дырок в противоположном
направлении. Электрический ток при этом направлен так же, как и в
случае электронов, но по величине он меньше (у электронных «дырок» противоположный знак заряда и меньшая подвижность). В соответствии с соотношением np = N 2 можно произвольно изменять число
электронов n или дырок p в единице объема полупроводника, задавая
нужное число избыточных доноров или акцепторов электронов. Полупроводники, в которых электронов больше, чем дырок, называются
полупроводниками n-типа, а полупроводники, в которых больше дырок, – полупроводниками p-типа. Те носители, которых больше, называются основными носителями, а которых меньше – неосновными.
Граница, отделяющая в кристалле область p-типа от области n-типа,
называется p-n-переходом.
Полупроводниковые электронные компоненты изготовляются
в основном из полупроводниковых материалов. К числу таких компонентов относятся транзисторы, интегральные схемы, оптоэлектронные
приборы, сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы и выпрямители.
Полупроводник – это материал, который проводит электричество
лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний
(Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия
(Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах. Полупроводник
представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено
69

малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего
материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний
проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т. е. действуя
как «донор»). Кремний, легированный подобным образом, становится
кремнием n-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал p-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния
часть электронов, создавая в нем «дырки», которые могут заполняться
электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда.

2.2. p-n-переход – основа
для полупроводниковой электроники
p-n-переходы. Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна
часть которой выполнена из полупроводника p-типа, а другая – из полупроводника n-типа. Отличительным свойством полупроводниковых
кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков. Отрицательные заряды – это электроны, освободившиеся с
внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные – так называемые дырки. Дырки – это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. При переходе на такое вакантное место электрона из оболочки соседнего
атома дырка перемещается к этому атому и таким образом может двигаться по всему кристаллу, как свободная клетка при игре в пятнашки.
Поэтому можно рассматривать дырку как положительно заряженную
свободную частицу.
Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в
p-область и дырок в n-область.
Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а nобласть – с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут
диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что
переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, ко70

гда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно
малый обратный ток.
Диоды с p-n-переходом. Диоды – это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно,
p-n-переходы идеально подходят для их использования в диодных
выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный.
Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n-переходом
увеличивается до критического значения, называемого напряжением
пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и
дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой
энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется «лавина» новых носителей, вследствие чего
обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает.
Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения
пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для
фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для
таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами. Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует
обратно смещенному p-n-переходу. Такую управляемую напряжением
емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами.
Резкие p-n-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно
легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т. е. диодах, в которых электроны могут «туннелировать» сквозь
переход. Теория туннельного эффекта применительно к альфа-распаду
ядер была разработана в 1928 г. Г. А. Гамовым. А ее приложение к
электронике Лео Эсаки, и создание в 1957 г. туннельного диода принесло ему Нобелевскую премию 1973 г. (С Л. Эсаки Нобелевскую
премию разделили Б. Джозефсон и А. Живер за исследование туннельных эффектов в сверхпроводниках). Туннелирование – это квантовомеханический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при
прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком
напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения
прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от p-области к nобласти. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до не71

которого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где
происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств.
p-n-переход может также находить применение в структуре фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода).
Когда свет, который состоит из фотонов, освещает p-n-переход, атомы
полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются
дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от n-области в p-область
течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна
скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света.
В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов.
Полученную от p-n-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое
применение в качестве источников электропитания для искусственных
спутников Земли и в некоторых применениях на Земле.
Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид
галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны
и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения
зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого
(как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно
изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах
электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются
фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть
весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа,
а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением.
p-n-переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах – интегральных схемах, изобретенных
в конце 50-х гг. Дж. Килби и независимо Р. Нойсом. Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных пленок, прояв72

ляющихся в эффекте плохой электропроводимости при небольших
электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте
соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к изобретению диодов, а позже транзисторов и интегральных микросхем.
В 1958 г. двое ученых, живущих в совершенно разных местах,
изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один
из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт
Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?».
Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время
размещались на платах отдельно, и ученые решили попробовать их
объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового
материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочел кремний. В 1959 г. они отдельно друг от друга получили патенты
на свои изобретения – началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии
на производство чипов. После того как в 1961 г. Fairchild
Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную
продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и
компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

***
Джек Сен-Клер Килби (Jack Saint Clair Kilby)
(8 ноября 1923 – 26 июля 2005) – американский физик и
инженер. Родился в Джефферсон-сити (штат Канзас). В
1947 г. окончил Иллинойский университет и поступил на
фирму по производству электронных компонентов в
Милуоки. Одновременно окончил вечерний факультет в
Висконсинском университете и получил степень магистра. В 1958 г. переехал в Даллас (штат Техас) и начал
работать в компании «Тексас инструментс», где работал до середины 1980-х гг., а затем остался членом
совета директоров.
Пытаясь уменьшить размеры транзистора, Килби выдвинул идею интегральной схемы – множества транзисторов и необходимых элементов электрической цепи на одной подложке, в одном кристалле. Эта идея оказалась революционной. В 1958 г. создал первую интегральную микросхему на основе германия (запатентована в 1959 г.). Последние научные исследования посвящены
цифровой обработке сигналов.
В 1966 г. Франклиновский институт наградил Килби медалью Баллантайна,
в том же году он получил премию Сарнова, в 1969 г. был награжден Национальной
медалью за научные достижения, в 1973 г. получил премию Зворыкина Нацио-

73

нальной инженерной академии, в 1978 г. – премию Брунетти Американского института инженеров-электриков (IEEE), в 1982 г. его имя было занесено в Национальный зал славы для изобретателей, в 1983 г. он получил медаль Холли, в
1986 г. – почетную медаль IEEE, в 1990 г. – Национальную медаль по технологии,
в 1993 г. – престижную премию Киото по технологии. В 2000 г. Килби был удостоен
Нобелевской премии по физике совместно с Ж. И. Алферовым и Г. Кремером.

***
Роберт Нойс (Robert Norton Noyce) (12 декабря
1927, Берлингтон, штат Айова – 3 июня 1990, Остин,
штат Техас), американский инженер, изобретатель (1959)
интегральной схемы, системы взаимосвязанных транзисторов на единой кремниевой пластинке, основатель
(1968, совместно с Г. Муром) корпорации Intel.
В 1949 г. Нойс окончил Гриннелл-колледж в Айове со степенью бакалавра, а в 1953 г. стал доктором
философии Массачусетского технологического института. В 1956–1957 гг. работал в полупроводниковой
лаборатории изобретателя транзисторов Уильяма
Шокли, а затем вместе с семью коллегами уволился и
основал одну из первых электронных фирм по производству кремниевых полупроводников – Fairchild
Semiconductor, которая дала название Силиконовой долине в Северной Калифорнии. Как уже упоминалось, одновременно, но независимо друг от друга Нойс
и Килби изобрели интегральную микросхему.
В 1968 г. Нойс и его давний коллега Гордон Мур основали корпорацию
Intel (от слов «интегрированная электроника»). Спустя два года они создали
1103-ю запоминающую микросхему из кремния и поликремния, которая заменила собой прежние малоэффективные керамические сердечники в запоминающих
устройствах компьютеров. В 1971 г. Intel представила микропроцессор, объединяющий в одной микросхеме функции запоминающего устройства и процессора. Вскоре
корпорация Intel стала лидером по производству микропроцессоров.
Бизнес-план компании был распечатан на печатной машинке Робертом
Нойсом и занимал всего одну страницу. Представив его финансисту, который
ранее помог создать Fairchild, Intel получила стартовый кредит в 2,5 млн долл.
Успех к компании пришел в 1971 г., когда Intel начала сотрудничество с
японской компанией Busicom. Она получила заказ на двенадцать специализированных микросхем, но по предложению инженера Тэда Хоффа разработала
один универсальный микропроцессор Intel 4004. Производительность этого процессора была сравнима с производительностью мощнейших компьютеров того
времени. Следующим был разработан Intel 8008. В 1990-е гг. компания стала
крупнейшим производителем процессоров для персональных компьютеров.
Серии процессоров Pentium и Celeron до сих пор являются самыми распространенными. Intel внесла огромный вклад в развитие компьютерной техники. Достаточно сказать, что спецификации на все порты, шины, системы команд написаны Intel или компаниями, работающими совместно с ней. Например, такой тип
памяти, как DDR, стал известен благодаря ей (хотя долгое время компания продвигала другой тип памяти – RAMBUS RAM, RDRAM).
В 1988 г. Нойс стал президентом корпорации Sematech, исследовательского консорциума, совместно финансируемого промышленным капиталом и
правительством США с целью развития передовых технологий в американской
полупроводниковой промышленности.
3 июня 1990 г. Роберт Нойс скоропостижно скончался в своем рабочем
кабинете.

74

2.3. Транзистор
Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор,
предназначенный для усиления электрического тока и управления им.
С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо
проще, чем вакуумный триод. Транзистор можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные компьютеры производятся на транзисторах, а не на лампах. Изобретение интегральных микросхем, способных объединить на одном кристалле миллионы транзисторов, прочно закрепило их преимущество перед лампами.
Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов так называемых интегральных схем, где их размеры не превышают 0,025 мм. В
связи с тем, что транзисторы очень легко приспосабливать к различным условиям применения, они почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности – полупроводниковая электроника. Одно из первых промышленных применений транзистор нашел на телефонных коммутационных станциях. Первым товаром широкого потребления на транзисторах были слуховые аппараты, появившиеся в
продаже в 1952 г. Сегодня транзисторы и многотранзисторные интегральные схемы используются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, детских игрушках, карманных калькуляторах, системах
пожарной и охранной сигнализации, игровых телеприставках и регуляторах всех видов – от регуляторов света до регуляторов мощности
на локомотивах и в тяжелой промышленности. В настоящее время
«транзисторизованы» системы впрыска топлива и зажигания, системы
регулирования и управления, фотоаппараты и цифровые часы.
Наибольшие изменения транзистор произвел, пожалуй, в системах
обработки данных и системах связи – от телефонных подстанций до
больших ЭВМ и центральных АТС. Космические полеты были бы
практически невозможны без транзисторов. В области обороны и военного дела без транзисторов не могут обходиться компьютеры, системы передачи цифровых данных, системы управления и наведения,
взрыватели, радиолокационные системы, системы связи и разнообразное другое оборудование. В современных системах наземного и воздушного наблюдения, в ракетных войсках – всюду применяются полупроводниковые компоненты. Перечень видов применения транзисторов почти бесконечен и продолжает увеличиваться.
В 1954 г. было произведено немногим более 1 млн транзисторов.
Сейчас эту цифру невозможно даже указать. Первоначально транзи75

сторы стоили очень дорого. Сегодня транзисторные устройства для
обработки сигнала можно купить за несколько центов.
Объем исследований по физике твердого тела нарастал с
1930-х гг., а в 1948 г. было сообщено об изобретении транзистора. За
созданием транзистора последовал необычайный расцвет науки и техники. Был дан толчок исследованиям в области выращивания кристаллов, диффузии в твердом теле, физики поверхности и во многих
других областях. Были разработаны разные типы транзисторов, среди
которых можно назвать точечный германиевый и кремниевый с выращенными переходами, полевой транзистор (ПТ) и транзистор со
структурой металл – оксид – полупроводник (МОП-транзистор). Были
созданы также устройства на основе интерметаллических соединений
элементов третьего и пятого столбцов Периодической системы Менделеева, примером которых может служить арсенид галлия. Наиболее
распространены планарные кремниевые, полевые и кремниевые МОПтранзисторы. Широко применяются также такие разновидности транзистора, как триодные тиристоры и симисторы, которые играют важную роль в технике коммутации и регулировании сильных токов.
Транзистор был разработан в Лаборатории «Белл Телефон» Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

***
Американский физик и инженер-электрик Джон
Бардин (23 мая 1908 – 30 января 1998) родился в
г. Мэдисон (штат Висконсин) в семье Чарлза
Р. Бардина, профессора анатомии и декана медицинской школы при Висконсинском университете, и Элси (в
девичестве Хармер) Бардин. После смерти матери
мальчика в 1920 г. его отец женился на Рут Хеймс. У
Бардина есть два брата, сестра и сводная сестра.
Бардин посещал начальную школу в Мэдисоне,
перескочив через четвертый, пятый и шестой классы,
затем поступил в университетскую среднюю школу,
перешел из нее в мэдисонскую центральную среднюю
школу, которую и окончил в 1923 г. Несмотря на врожденный порок – тремор руки, он в молодости был чемпионом по плаванию и
умелым игроком в бильярд.
В Висконсинском университете Бардин получил степень бакалавра по
электротехнике в 1928 г., изучив в качестве непрофилирующих дисциплин физику и математику. Еще студентом старших курсов он работал в инженерном отделе «Вестерн электрик компани» (этот отдел позднее вошел в систему лабораторий компании «Белл»). В 1929 г. он получил степень магистра по электротехнике в Висконсинском университете, проведя исследование по прикладной геофизике и излучению антенн. В следующем году он последовал за одним из своих руководителей, американским геофизиком Лео Дж. Питерсом, в Питсбург
(штат Пенсильвания), где в компании «Галф ризерч» они разработали новую

76

методику, позволявшую, анализируя карты гравитационной и магнитной напряженностей, определять вероятное расположение нефтяных месторождений.
В 1933 г. Бардин поступил в Принстонский университет, где изучал математику и физику под руководством Эугена П. Вигнера (впоследствии Нобелевского лауреата). Он сосредоточил свое внимание на применении квантовой
теории к физике твердого тела. К тому времени квантовая механика довольно
успешно описывала поведение индивидуальных атомов и частиц внутри атома.
Твердые тела подчиняются тем же самым квантовомеханическим законам, но,
поскольку макроскопическое тело состоит из большого числа атомов, задача
анализа его свойств значительно сложнее. Докторскую степень Бардин получил
в Принстоне в 1936 г. за диссертацию, посвященную силам притяжения, удерживающим электроны внутри металла. За год до окончания своей диссертации
он принял предложение стать на год после защиты временным научным сотрудником Гарвардского университета, каковым и оставался до 1938 г. В Гарварде Бардин работал с Джоном Г. Ван Флеком и П. У. Бриджменом (будущими
Нобелевскими лауреатами) над проблемами атомной связи и электрической
проводимости в металлах.
Когда оговоренный срок закончился, Бардин стал ассистент-профессором
в Миннесотском университете, где он продолжил свои исследования поведения
электронов в металлах. Между 1941 и 1945 г. он служил гражданским физиком
военно-морской артиллерийской лаборатории в Вашингтоне (округ Колумбия),
изучая магнитные поля кораблей – важный по тем временам вопрос, учитывая
его приложения к торпедному делу и тралению мин.
В 1945 г. Бардин перешел в компанию «Белл Телефон», где, работая совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном, ему удалось создать полупроводниковые приборы, которые могли как выпрямлять, так и усиливать электрические сигналы. В процессе этой работы Шокли пытался построить то, что
теперь называется полевым транзистором. В таком приборе электрическое поле, индуцированное напряжением, приложенным к полупроводнику, должно
было влиять на движение электронов внутри материала. Шокли надеялся использовать электрическое поле, чтобы управлять свободными электронами в
одном из участков полупроводника и тем самым модулировать ток, текущий
через прибор. Кроме того, транзистор должен был обладать потенциальной
возможностью стать усилителем, поскольку небольшой сигнал (приложенное
напряжение) мог вызвать большие изменения тока, текущего через полупроводник.
Все попытки построить прибор, следуя этому плану, закончились неудачей. Тогда Бардин выдвинул предположение, что внешнее напряжение не создает внутри полупроводника желаемого поля из-за слоя электронов, находящихся на его поверхности. В процессе дальнейших исследований выяснилось,
что свойства прибора зависят от освещенности, температуры, поверхности и
изменяются при контакте с жидкостями или напылении на полупроводник металлической пленки. В 1947 г., как только группа по-настоящему разобралась в
поверхностных свойствах полупроводников, Бардин и Браттейн построили первые работающие транзисторы.
Одним из первых был создан точечно-контактный транзистор, сделанный
из одного куска германия. Точечными контактами были два тонких «усика» из
металла, названных эмиттером и коллектором и прикрепленных к верхней части
германиевого блока; третий контакт, названный базой, был связан с нижней
частью блока. Для управления током между эмиттером и коллектором использовался небольшой ток, текущий между эмиттером и базой. Эта идея заменила
собой первоначальную идею управления с помощью внешнего электрического
поля. В более позднем варианте, названном плоскостным триодом, точечные
контакты были удалены, а эмиттер и коллектор были образованы из полупро-

77

водниковых материалов, в которые вкраплены небольшие количества специальных примесей. Полевые транзисторы не находили практического применения, пока германий не был заменен кремнием в качестве основного материала.
Подобно радиолампе, транзистор позволяет с помощью небольшого сигнала (напряжение для лампы, ток для транзистора) в одном контуре управлять
относительно большим током в другом контуре. Благодаря небольшим размерам, простоте структуры, низким энергетическим потребностям и малой стоимости транзисторы быстро вытеснили электронные лампы во всех радиотехнических приборах, за исключением устройств высокой мощности, используемых,
например, в радиовещании или промышленных радиочастотных нагревательных установках. В настоящее время во всех высокоскоростных радиотехнических устройствах, а также во многих мощных высокочастотных установках, где
можно обойтись без электронных ламп, обычно используются биполярные транзисторы. Усовершенствование технологии сделало возможным создание многих
транзисторов из крохотных кусочков кремния, способных выполнять более
сложные функции. Число транзисторов в одном подобном кусочке возросло с
десяти до миллиона, в частности, благодаря уменьшению размеров соединений
и самих транзисторов до величины от половины микрона до нескольких микрон.
Такие кусочки позволяют строить современные компьютеры, средства связи и
управления, причем технология продолжает быстро развиваться.
В 1956 г. Бардин разделил Нобелевскую премию с Шокли и Браттейном
«за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
«Транзистор во многом превосходит радиолампы», – отметил Е. Г. Рудберг,
член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреатов. Указав,
что транзисторы значительно меньше электронных ламп и в отличие от последних не нуждаются в электрическом токе для накала нити, Рудберг добавил, что
«для акустических приборов, вычислительных машин, телефонных станций и
многого другого требуется именно такое устройство».
В 1951 г. Бардин покинул компанию «Белл» и принял предложение занять
одновременно два поста: профессора электротехники и профессора физики в
Иллинойском университете. Здесь у него возобновился серьезный интерес к
теме, которой он занимался в аспирантские годы и которая была прервана Второй мировой войной и не возобновлялась им до 1950 г., – проблеме сверхпроводимости и свойств материи при сверхнизких температурах.
Сверхпроводимость была открыта в 1911 г. голландским физиком Хейке
Камерлинг-Оннесом, который обнаружил, что некоторые металлы совершенно
теряют сопротивление к электрическому току при температурах, на несколько
градусов превышающих абсолютный нуль.
В металлах многие электроны настолько слабо связаны со своими атомами, что электрическое поле, возникающее благодаря приложенному внешнему
напряжению, заставляет их перемещаться в направлении поля. Однако электроны также совершают колебания в случайных направлениях из-за наличия
тепла. Это рассеянное движение служит причиной противодействия (сопротивления) потоку электронов под влиянием поля. Когда в результате охлаждения
тепловое движение уменьшается, то сопротивление тоже уменьшается. При
абсолютном нуле, когда тепловое движение совсем прекращается, можно ожидать, что сопротивление совсем исчезнет. Однако абсолютный нуль практически недостижим. Удивительно в сверхпроводимости то, что сопротивление исчезает при температуре, несколько превышающей абсолютный нуль, когда еще
имеется тепловое движение. Никакого удовлетворительного объяснения этому
найти тогда не удалось.
Оказалось, что сверхпроводники обладают еще одной необычной особенностью, открытой в 1933 г. немецким физиком Вальтером Мейснером. Он обна-

78

ружил, что сверхпроводники являются также идеальными диамагнетиками, т. е.
препятствуют проникновению внутрь металла магнитного поля. Парамагнитные
материалы, среди которых находятся обычные магнитные металлы, более или
менее поддаются намагничиванию со стороны близкорасположенного магнита.
Поскольку магнитное поле магнита индуцирует поле противоположной направленности в парамагнитном теле, это тело притягивается к магниту. Но так как
диамагнитное тело противодействует магнитному полю, это тело и магнит взаимно отталкиваются, независимо от того, какой именно полюс магнита мы подносим к нему. Магнит, помещенный над сверхпроводником, будет покоиться «на
подушке магнитного отталкивания». Однако если внешнее магнитное поле достаточно велико, то оно врывается внутрь сверхпроводника, сверхпроводник
теряет свои свойства и ведет себя подобно обычному металлу. В 1935 г. немецкие физики братья Фриц и Гейнц Лондоны выдвинули предположение, что диамагнетизм является фундаментальным свойством сверхпроводников и что
сверхпроводимость, возможно, представляет собой некий квантовый эффект,
проявляющийся каким-то образом во всем теле.
Признаки того, что Лондоны были на верном пути, появились в 1950 г. Несколько американских физиков обнаружили, что различные изотопы одного и
того же металла становятся сверхпроводящими при различных температурах и
что критическая температура обратно пропорциональна атомной массе. Изотопы представляют собой формы элемента, имеющие одинаковое число протонов
в своих ядрах (и, следовательно, одинаковое число окружающих ядро электронов), и химически подобны друг другу, но их ядра содержат различное число
нейтронов и, следовательно, обладают различными массами. Бардин знал, что
единственное влияние различных атомных масс на свойства твердого тела проявляется в различиях при распространении колебаний внутри тела. Поэтому он
предположил, что в сверхпроводимости металла участвует взаимодействие
между подвижными электронами (которые относительно свободны, так что могут двигаться, образуя электрический ток) и колебаниями атомов металла и что
в результате этого взаимодействия создается связь электронов друг с другом.
К исследованиям Бардина позднее присоединились два его студента по
Иллинойскому университету – Леон Н. Купер, который вел исследовательскую
работу после защиты докторской диссертации, и Дж. Роберт Шриффер, аспирант. В 1956 г. Купер показал, что электрон (который несет отрицательный заряд), движущийся сквозь регулярную структуру (решетку) металлического кристалла, притягивает ближайшие положительно заряженные атомы, слегка деформируя решетку и создавая кратковременное увеличение концентрации положительного заряда. Эта концентрация положительного заряда, в свою очередь, притягивает второй электрон, и два электрона образуют пару, связанную
друг с другом благодаря искажению кристаллической решетки. Таким путем
многие электроны в металле объединяются по два, образуя куперовские пары.
Бардин и Шриффер попытались с помощью концепции Купера объяснить
поведение обширной популяции свободных электронов в сверхпроводящем
металле, но их постигла неудача. Когда Бардин в 1956 г. отправился в Стокгольм получать Нобелевскую премию, Шриффер уже готов был признать поражение, но напутствие Бардина запало ему в душу, и ему удалось-таки развить
статистические методы, необходимые для решения данной проблемы.
После этого Бардину, Куперу и Шрифферу удалось показать, что куперовские пары, взаимодействуя между собой, заставляют многие свободные электроны в сверхпроводнике двигаться в унисон, единым потоком. Как и догадывался Ф. Лондон, сверхпроводящие электроны образуют единое квантовое состояние, охватывающее все металлическое тело. Критическая температура, при
которой возникает сверхпроводимость, определяет ту степень уменьшения тем-

79

пературных колебаний, когда влияние куперовских пар на корреляцию движения
свободных электронов становится доминирующим. Поскольку возникновение
сопротивления при отклонении даже одного электрона от общего потока с необходимостью повлияет на другие электроны, участвующие в сверхпроводимости,
и тем самым нарушит единство квантового состояния, такое возмущение весьма
маловероятно. Поэтому сверхпроводящие электроны перемещаются коллективно, без потери энергии.
Достижение Бардина, Купера и Шриффера было названо одним из наиболее важных в теоретической физике с момента создания квантовой теории. В
1958 г. они с помощью своей теории предсказали сверхтекучесть у жидкого гелия-3 вблизи абсолютного нуля, что и подтвердилось экспериментально. Сверхтекучесть наблюдалась ранее у гелия-4 (наиболее распространенный изотоп), и
считалось, что она невозможна у изотопов с нечетным числом нуклонов.
Бардин, Купер и Шриффер разделили в 1972 г. Нобелевскую премию по
физике «за совместное создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией». Стиг Лундквист, член Шведской королевской академии наук,
при презентации лауреатов отметил полноту объяснения ими сверхпроводимости и добавил: «Ваша теория предсказала новые эффекты и весьма стимулировала дальнейшие разработки в теоретических и экспериментальных исследованиях». Он также указал на то, что «дальнейшее развитие... подтвердило огромное значение и ценность идей, заложенных в этой фундаментальной работе
1957 г.» [30].
БКШ-теория привела к далекоидущим последствиям в технологии и теории. Создание материалов, которые становились сверхпроводниками при более
высоких температурах или выдерживали сильные магнитные поля, позволило
сконструировать исключительно мощные электромагниты небольших размеров,
потребляющие мало энергии. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом,
прямо связано с током в его обмотках. Для обычного проводника наличие сопротивления служит серьезным ограничением, поскольку выделяемое тепло
пропорционально сопротивлению и квадрату силы тока. Дело не только в том,
что на тепловые потери расходуется дорогостоящая энергия, но при этом также
изнашивается материал. Сверхпроводящие магниты используются при исследованиях управляемого термоядерного синтеза, в магнитной гидродинамике, в
ускорителях частиц высокой энергии, в поездах, движущихся без трения на магнитной подушке над рельсами, в биологических и физических исследованиях
взаимодействия атомов и электронов с сильными магнитными полями и при
конструировании компактных мощных электрических генераторов. Датчики, основанные на эффектах Джозефсона, способны определять малейшие изменения магнитной активности в живых организмах и помогают обнаруживать месторождения полезных ископаемых и нефти по их магнитным свойствам.
В 1959 г. Бардин начал работать в Центре фундаментальных исследований Иллинойского университета, продолжая свои изыскания в области физики
твердого тела и физики низких температур. В 1975 г. он стал почетным профессором в отставке.
Бардин в 1938 г. женился на Джейн Максвелл; у них два сына и дочь. В
свободное время он путешествовал и играл в гольф.
Среди многочисленных наград Бардина – медаль Стюарта Баллантайна
Франклиновского института (1952), премия Джона Скотта (1955), премия по
физике твердого тела Оливера Бакли Американского физического общества
(1954), Национальная медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1965), почетная медаль Института инженеров по электротехнике
и электронике (1971); президентская медаль Свободы правительства Соединенных Штатов (1977). В течение многих лет Бардин был соиздателем журна-

80

ла Physical Review. Он член американской Национальной академии наук и
Американской академии наук и искусств, а также был избран членом Американского физического общества.

***
Американский физик Уолтер Хаузер Браттейн
(10 февраля 1902 – 13 октября 1987) родился в
г. Амой (Сямынь) на юго-востоке Китая. Сын Росса
Р. Браттейна, учителя частной школы для китайских
детей, и Оттилии (Хаузер) Браттейн, он был старшим
из пятерых детей. В раннем детстве Браттейна семья
вернулась в штат Вашингтон, где выросли старшие
Браттейны, и обосновалась в Тонаскете. Его отец
приобрел участок земли, стал владельцем скотоводческого ранчо и мельницы. Мальчик посещал школу в
Тонаскете, затем поступил в Уайтмен-колледж в Балла Валла, выбрав в качестве профилирующих предметов математику и физику. Он стал бакалавром в
1924 г., получил степень магистра по физике в Орегонском университете в
1926 г. и защитил докторскую диссертацию по физике в Миннесотском университете в 1929 г. Хотя Браттейну нравилась жизнь на ранчо, на лоне природы,
фермерский труд он ненавидел. «Хождение в пыли за тремя лошадьми и бороной – вот что сделало из меня физика», – скажет он впоследствии [30].
В рамках своей докторской программы Браттейн провел 1928/29 академический год в Национальном бюро стандартов США, где работал над увеличением точности измерений времени и частоты колебаний, а также помогал разрабатывать портативный генератор с температурной регулировкой. В 1929 г. он
поступил в лабораторию «Белл Телефон» в качестве физика-исследователя и
работал здесь до выхода в отставку в 1967 г., после чего вернулся в Уайтменколледж, чтобы преподавать физику и заниматься изучением живых клеток.
Первые 7 лет в лабораториях «Белл» Браттейн изучал такие явления, как
влияние адсорбционных пленок на эмиссию электронов горячими поверхностями, электронные столкновения в парах ртути, занимался магнитометрами, инфракрасными явлениями и эталонами частоты. В то время главным электронным усилительным устройством была трехэлектродная вакуумная лампа (триод), изобретенная Ли де Форестом в 1907 г. Еще в конце XIX в. Томас Эдисон,
занимаясь проблемами электрического освещения, обнаружил, что между раскаленной нитью и вторым электродом, если их поместить в герметическую колбу, откачать воздух и подсоединить батарею, возникает электрический ток. Так
родилась двухэлектродная лампа (диод). Позднее физики показали, что нить
испускает электроны, которые несут отрицательный заряд и притягиваются положительным электродом. Поскольку диоды проводят ток только в одном
направлении, они стали использоваться как выпрямители, превращающие переменный, меняющий направление ток в постоянный, текущий только в одном
направлении. Де Форест вставил проволочную сетку (решетку) между излучателем электронов (катодом) и положительным электродом (анодом). Небольшое
изменение напряжения на сетке ведет к большим изменениям тока, текущего
сквозь сетку между катодом и анодом, тем самым позволяя усиливать сигнал,
приложенный к сетке. Высокая температура, необходимая для эмиссии электронов, сокращает срок жизни катода и портит электронную лампу. Браттейн
обнаружил, что некоторые тонкие катодные покрытия BaO SrO, BaO SrO CuO
(так называемые оксидные катоды) обеспечивают удовлетворительную эмиссию
при меньших температурах, усиливая эффект и продлевая срок жизни лампы.

81

Когда в 1936 г. в лабораторию «Белл» пришел Уильям Шокли, он быстро
включился в исследования свойств полупроводников. Его целью было заменить
вакуумные электронные лампы приборами из твердых материалов, которые
были бы меньше размером, менее хрупкими и энергетически более эффективными. Электропроводность полупроводников занимает промежуточное положение между электропроводностью проводников (главным образом металлов) и
изоляторов и сильно меняется при наличии даже небольших количеств примесей.
В первых радиоприемниках использовался контакт между витком тонкой проволоки (усиком) и куском минерала галенита (полупроводником) для детектирования
принятых антенной радиоволн. Исследуя полупроводники, Браттейн и Шокли искали материал, который мог бы как детектировать, так и усиливать сигналы. Их
исследования были прерваны войной. С 1942 по 1945 г. они перешли в отдел
военных исследований при Колумбийском университете, где занимались применением научных разработок в противолодочной обороне. Шокли отошел от данных исследований несколько раньше Браттейна и стал работать над радаром.
Когда после войны Браттейн и Шокли вернулись в лабораторию «Белл», к
ним присоединился физик-теоретик Джон Бардин. В этом содружестве Браттейн
выполнял роль экспериментатора, который определял свойства и поведение
исследуемых материалов и приборов. Шокли выдвинул теоретическое предположение, что, воздействуя на ток электрическим полем от приложенного напряжения, можно получить усилитель с полевым воздействием. Это поле должно
действовать аналогично тому, которое возникает на сетке триодного усилителя.
Группа создала много приборов, чтобы проверить теорию Шокли, но все без
практических результатов.
Тут Бардину пришла в голову мысль, что поле не может проникнуть
внутрь полупроводника из-за слоя электронов, расположенных на его поверхности. Это вызвало интенсивные исследования поверхностных эффектов. Поверхности полупроводников были подвергнуты воздействию света, тепла, холода, они смачивались жидкостями (изолирующими и проводящими) и покрывались металлическими пленками. В 1947 г., когда группа глубоко разобралась в
поведении и свойствах поверхности полупроводников, Браттейн и Бардин сконструировали прибор, в котором впервые проявилось то, что позднее стало известно как транзисторный эффект. Этот прибор, названный точечно-контактным
транзистором, состоял из кристалла германия, содержащего небольшую концентрацию примесей. С одной стороны кристалла располагались два контакта
из золотой фольги, с другой стороны был третий контакт. Положительное
напряжение прикладывалось между первым золотым контактом (эмиттером) и
третьим контактом (базой), а отрицательное напряжение – между вторым золотым контактом (коллектором) и базой. Сигнал, поступающий на эмиттер, оказывал влияние на ток в контуре коллектор-база. Хотя этот прибор усиливал сигнал, как и было задумано, но принцип его работы не находил удовлетворительного объяснения, что вызвало новый тур исследований.
Хотя теория полупроводников во многом уже была разработана с помощью квантовой механики, предсказания этой теории еще не нашли адекватного
количественного подтверждения в эксперименте. Атомы в кристаллах держатся
вместе с помощью электронов, наиболее слабо связанных со своими ядрами. В
совершенном кристалле связи, как принято говорить, «насыщены» или «заполнены». Электроны трудно оторвать, они с трудом перемещаются, что приводит к
очень высокому электрическому сопротивлению. Такой кристалл представляет
собой изолятор. Однако вкрапления чужеродных атомов, которые не вполне
подходят к данной структуре, приводят либо к появлению избыточных электронов, способных участвовать в электрическом токе, либо к дефициту электронов,
известному как «дырки». Во внешнем поле дырки движутся, как если бы они

82

были положительно заряженными электронами, хотя и с другой скоростью. Фактически дырки представляют собой места, покинутые электронами, и, следовательно, все выглядит так, как если бы дырки двигались в обратном направлении, в то время как электроны двигаются в прямом направлении, заполняя ранее пустые места и образуя новые дырки там, откуда они ушли. Оказалось, что
для объяснения действия транзистора нужно учитывать комплексное взаимодействие примесей разных видов и концентраций, локальный характер контактов между различными материалами и вклад, который дают в ток как электроны,
так и дырки. Важная роль дырок не была в должной мере предугадана заранее.
Шокли предсказал, что прибор можно улучшить, заменив металлополупроводниковые контакты более качественными контактами между различными
типами полупроводников, в одном из которых доминируют избыточные электроны (n-тип), а в другом – дырки (p-тип). Удачная модель, названная плоскостным
транзистором, была сделана в 1950 г. Она состояла из тонкого слоя p-типа,
расположенного – наподобие сандвича – между двумя слоями n-типа с металлическими контактами в каждом слое. Этот прибор работал именно так, как и
предсказывал Шокли. Плоскостные транзисторы стали широко использоваться
вместо точечно-контактных типов, поскольку их было легче изготавливать и они
лучше работали. Раннюю идею Шокли, транзистор с полевым воздействием,
долго не удавалось осуществить, поскольку среди доступных материалов не
было подходящих. Работающий полевой транзистор был построен на основе
кристаллов кремния, когда методы выращивания и очистки кристаллов достаточно далеко продвинулись вперед.
Подобно электронной лампе, транзисторы позволяют небольшому току,
текущему в одном контуре, контролировать гораздо больший ток, текущий в
другом контуре. Транзисторы быстро вытеснили радиолампы всюду, за исключением тех случаев, где требуется управлять очень большой мощностью, как,
например, в радиовещании или в промышленных нагревательных радиочастотных установках. Биполярные транзисторы обычно используются там, где требуется высокая скорость, так же как и в высокочастотных установках, где нет
настоятельной необходимости применять электронные лампы. Полевые транзисторы – это основной тип транзисторов, используемых в электронных приборах.
Его легче изготовлять, а энергии он потребляет даже меньше биполярного транзистора. Хотя часть транзисторов еще делают из германия, большая часть их
изготовляется из кремния, который более устойчив к воздействию высоких температур. С дальнейшим развитием технологии стало возможным располагать в
одном кусочке кремния до миллиона транзисторов, и это число продолжает
возрастать. Подобные кремниевые блоки служат основой для быстрого развития современных компьютеров, средств связи и управления.
Нобелевскую премию по физике за 1956 г. Браттейн разделил с Бардиным
и Шокли. Они были награждены «за исследования полупроводников и открытие
транзисторного эффекта». В своей нобелевской лекции «Поверхностные свойства
полупроводников» (Surface Properties of Semiconductors) Браттейн подчеркнул
важность поверхностей, где происходит много, если не большинство, интересных
и полезных явлений. В электронике с большинством, если не со всеми, элементов
контура связаны неравновесные явления, происходящие на поверхностях.
Дальнейшие исследования Браттейна, посвященные свойствам полупроводников и их поверхностей, были чрезвычайно важны для полевых транзисторов,
которые очень чувствительны к поверхностным дефектам, и для солнечных батарей, свойства которых определяются электрическими свойствами поверхности.
В 1935 г. Браттейн женился на Керен Джилмор, занимавшейся физической
химией; у них был сын. В 1957 г. она умерла, а через год Браттейн женился на

83

Эмме Джейн Кирш Миллер. Браттейн был известен как человек прямой и искренний. Среди его увлечений были гольф, рыбная ловля и чтение книг.
Среди наград Браттейна можно назвать медаль Стюарта Баллантайна
Франклиновского института (1952), премию Джона Скотта г. Филадельфии (1955)
и почетную награду выпускникам Орегонского университета (1976). Он обладает
пятью почетными докторскими степенями, состоит членом Национальной академии наук и Почетного общества изобретателей, а также является членом
Американской академии наук и искусств, Американской ассоциации содействия
развитию науки и Американского физического общества.

***
Американский физик Уильям Брэдфорд
Шокли (13 февраля 1910 – 12 августа 1989) родился в Лондоне, в семье Уильяма Хиллмена Шокли,
горного инженера, и Мэй (урожденной Брэдфорд)
Шокли – федерального инспектора шахт. Когда
мальчику исполнилось три года, семья возвратилась
в Соединенные Штаты и поселилась в Пало-Альто
(штат Калифорния), где Шокли получил начальное
образование. Родители поощряли его интерес к
физике, пробудившийся под влиянием соседа, преподававшего физику в Станфордском университете.
Окончив в 1927 г. среднюю школу в Голливуде, Шокли поступает в Калифорнийский университет
в Лос-Анджелесе и через год переходит в Калифорнийский технологический институт, который оканчивает в 1932 г. со степенью
бакалавра. На учительскую стипендию он обучается в аспирантуре Массачусетского технологического института (МТИ) и в 1936 г. защищает докторскую диссертацию на тему «Вычисление волновых функций для электронов в кристаллах
хлорида натрия» (Calculations of Wave Functions for Electrons in Sodium Chloride
Crystals). Физику твердого тела Шокли изучает в МТИ, и его работа по кристаллам
становится прочным фундаментом для последующей научной деятельности.
В 1936 г. он становится сотрудником лаборатории компании «Белл» в
Мюррей-Хилле (штат Нью-Джерси), где работает с Клинтоном Дж. Дэвиссоном
(Нобелевским лауреатом 1937 г.). Первым заданием Шокли было проектирование электронного умножителя – особого рода электронной лампы, действующей
как усилитель. Затем он занимается исследованиями по физике твердого тела и
в 1939 г. выдвигает план разработки твердотельных усилителей как альтернативы вакуумным электронным лампам. Его проект оказался неосуществимым
из-за отсутствия в то время необходимых материалов, но основной замысел
совпадал с общей направленностью всей деятельности лаборатории «Белл» – с
развитием телефонной связи на основе не механических переключателей, а
электронных устройств.
Во время Второй мировой войны Шокли работает над военными проектами, сначала над электронным оборудованием полевой радарной станции фирмы «Белл». С 1942 по 1944 г. он исполняет обязанности директора по науке
группы по исследованию противолодочных операций, учрежденной Управлением военно-морского флота при Колумбийском университете в Нью-Йорке, в
1944–1945 гг. состоит консультантом при канцелярии военного министра. Новая
область, получившая название «исследование операций», ставила перед собой
чисто военные задачи, которые анализировала и решала научными методами,
например разработку оптимальных схем сбрасывания глубинных бомб при охо-

84

те за подводными лодками или выбор оптимального времени и целей для бомбардировочной авиации.
В 1945 г. Шокли возвращается в лабораторию «Белл» в качестве директора программы научных исследований по физике твердого тела. В его группу
входят теоретик Джон Бардин и экспериментатор Уолтер Браттейн. Группа возобновляет начатые перед войной исследования полупроводников. Полупроводники обладают электропроводностью, промежуточной между электропроводностью хороших проводников (к числу которых относится большинство металлов)
и изоляторов. Электропроводность полупроводников сильно изменяется в зависимости от температуры, а также характера и концентрации примесей в материале. Полупроводники уже использовались в качестве выпрямителей –
устройств, проводящих электрический ток только в одном направлении и способных поэтому превращать переменный ток в постоянный. В первых радиоприемниках в качестве детектора радиоволн, принимаемых антенной, использовался контакт между «кошачьим усом» (витком проволочки) и кристаллами галенита
(полупроводникового минерала).
Со временем кристаллы были заменены электронными лампами, которые
стали наиболее важными и распространенными электронными устройствами.
Появление усилительных ламп открыло путь для роста электронной промышленности, но срок службы ламп был сравнительно коротким, для подогрева катодов требовался дополнительный расход энергии, хрупкие стеклянные баллоны занимали большой объем. Шокли и его группа надеялись преодолеть эти
недостатки, изготавливая усилители из выпрямляющих ток полупроводников.
Хотя применение квантовой теории к физике твердого тела расширило
знание свойств полупроводников, теория не была адекватно подтверждена экспериментами. Шокли намеревался моделировать основной принцип устройства
электронной лампы, прикладывая электрическое поле поперек полупроводника
с тем, чтобы управлять прохождением электрического тока. Хотя вычисления
Шокли показывали, что такое поле должно приводить к усилению тока, получить
практические результаты не удавалось. Бардин высказал предположение о том,
что электроны оказываются запертыми в поверхностном слое, который препятствует проникновению поля внутрь полупроводника. За этой удачной идеей
последовала серия экспериментов по изучению поверхностных эффектов. Эти
эксперименты помогли трем исследователям понять сложное поведение полупроводниковых устройств.
Было известно, что проводимость в полупроводниках осуществляется носителями заряда двух типов: электронами и «дырками». Электроны, участвующие в проводимости, – это избыточные электроны из числа тех, которые связывают атомы и твердый кристалл. Дырки соответствуют недостающим электронам. Так как электрон несет отрицательный заряд, незаполненное электронное
состояние ведет себя как положительный заряд такой же величины. Дырки также обладают способностью двигаться, хотя и не с такой скоростью, как электроны, и в противоположном направлении. Когда соседний электрон перемещается
«вперед», чтобы заполнить дырку, он оставляет позади себя новую дырку, поэтому создается впечатление, будто дырка движется назад. Группа Шокли установила, что вклад дырочного тока в полный ток обычно недооценивается. Вводимые в чистый кристалл примеси в виде атомов, нарушающих регулярную
кристаллическую структуру, создают области с избыточным количеством электронов (n-тип) или дырок (p-тип).
В 1947 г. Бардин и Браттейн достигли первого успеха, построив полупроводниковый усилитель, или транзистор (от англ. transfer – передавать и лат.
resisto – сопротивляюсь). Окончательный вариант прибора состоял из блока
германия (полупроводника n-типа) с двумя близко расположенными точечными

85

контактами («кошачьими усами») на одной грани и на противоположной грани. К
одному контакту (эмиттеру) приложено небольшое положительное напряжение
относительно широкого электрода (базы) и большое отрицательное напряжение
относительно второго контакта (коллектора). Сигнальное напряжение, подаваемое на эмиттер вместе с постоянным смещением, передается со значительным
усилением в цепь коллектора. В основе действия транзистора лежит внедрение
дырок в германий через контакт-эмиттер и их движение к контакт-коллектору,
где дырки усиливают коллекторный ток. Последующие события развертывались
стремительно, Шокли предложил заменить точечные контакты выпрямляющими
переходами между областями p- и n-типа в том же кристалле. Такое устройство,
получившее название плоскостного транзистора, было изготовлено в 1950 г.
Оно состояло из тонкой p-области, заключенной между двумя n-областями (все
области имеют отдельные внешние контакты). Плоскостной транзистор основательно потеснил транзистор с точечными контактами, так как производить плоскостной транзистор оказалось гораздо легче, а функционирует он надежнее. Усовершенствование методов выращивания, очистки и обработки кристаллов кремния позволило осуществить давнюю идею Шокли о создании транзистора на основе полевых эффектов. Ныне этот тип транзисторов наиболее широко используется в электронных устройствах. Современная промышленность в состоянии выпускать миниатюрные кремниевые кристаллы, в каждом из которых умещаются сотни
тысяч транзисторов, и число это продолжает расти. Появление таких кристаллов
стимулировало быстрое развитие новейших компьютеров, портативных, умещающихся в руке калькуляторов, сложных средств связи, приборов управления, слуховых аппаратов, медицинских зондов и других электронных устройств.
В 1956 г. Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии
по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». На церемонии презентации Э. Г. Рудберг, член Шведской королевской
академии наук, назвал их достижение «образцом предвидения, остроумия и
настойчивости в достижении цели» [30].
Шокли оставался сотрудником лаборатории «Белл» до 1955 г., в последний год был руководителем исследований по физике транзисторов. Он также
занимал различные должности вне лаборатории – был приглашенным лектором
в Принстонском университете (1946), советником по науке Политического комитета Объединенной комиссии по исследованиям и развитию (1947–1949) и членом научно-консультативного комитета армии США (1951–1963). В 1954–1955 гг.
Шокли был приглашенным профессором Калифорнийского технологического
института и руководителем научных исследований группы оценки систем оружия министерства обороны США. С 1958 по 1962 г. он состоял также членом
научно-консультативного комитета военно-воздушных сил США.
После ухода из лаборатории «Белл» Шокли создает полупроводниковую
лабораторию Шокли (впоследствии транзисторную корпорацию Шокли, входящую в состав компании «Бекман инструментс») в Пало-Альто, занимавшуюся
разработкой транзисторов и других полупроводниковых устройств. В 1968 г.
фирма после двукратной смены хозяев прекратила свое существование.
В 1962 г. Шокли был назначен членом консультативного научного комитета по рабочей силе при президенте США. Он входил также в научноконсультативный комитет при Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). В 1963 г. Шокли был назначен
первым профессором инженерных и прикладных наук Станфордского университета, где он преподавал до выхода в отставку (1975).
Преподавание в Станфорде стимулировало у Шокли интерес к проблеме
совершенствования научного мышления. Его идеи относительно улучшения
общества в конце концов вызвали споры среди ученых-генетиков. У Шокли сло-

86

жилось убеждение, что человечеству угрожает своего рода «ухудшение породы», поскольку у людей с более низким коэффициентом умственного развития
рождается больше детей, чем у людей с более высоким коэффициентом. Его
высказывания, носившие сначала общий характер, вскоре стали все более приобретать расистский оттенок. Так, в 1970 г., выступая в американской Национальной академии наук, он заявил, что проведенные им исследования неизбежно приводят к выводу о расово-генетической основе проблем негритянского
населения Америки. За подобные взгляды он был подвергнут резкой критике со
стороны многих общественных деятелей и ученых, подчеркивавших, однако, что
научная значимость достижений Шокли никак не может быть подорвана его
суждениями о генетике.
Кроме работ по физике полупроводников и транзисторов, Шокли внес
важный вклад в использование свойств магнитных материалов для банков памяти компьютеров и в развитие электромагнитной теории. В круг его интересов
входили энергетические зоны в твердых телах, пластические свойства металлов, теория границ зерен (поверхностей, разделяющих крохотные кристаллики,
образующие поликристаллическое тело), порядок и беспорядок в сплавах. Шокли получил более 90 патентов на изобретения.
В 1933 г. он женился на Джин Альберте Бейли. У них родились двое сыновей и дочь. В 1955 г. они развелись, и в том же году Шокли женится вторично, на
Эмми Лэннинг, медицинской сестре по уходу за психическими больными. В молодые годы он был заядлым альпинистом. По словам его второй жены, Шокли
относился к альпинизму не как к форме отдыха, а как к проблеме, которую требовалось решить, и тщательно тренировался, готовя себя к такому решению. В
более зрелом возрасте он предпочитал заниматься парусным спортом, плаванием и нырянием за жемчугом.
Кроме Нобелевской премии, Шокли награжден правительством США медалью «За заслуги» (1946), удостоен премии Морриса Либмана Института радиоинженеров (1952), премии Оливера Бакли по физике твердого тела Американского физического общества (1953), премии Комстока американской Национальной академии наук (1954), медали Холли Американского общества инженеров-механиков (1963), почетной медали Института инженеров по электротехнике
и электронике (1980). Он был членом американской Национальной академии
наук, Американского физического общества, Американской академии наук и
искусств, Института инженеров по электротехнике и электронике.

С изобретением транзистора наступил период миниатюризации
радиоэлектронной аппаратуры на базе достижений быстро развивающейся полупроводниковой электроники. По сравнению с радиоэлектронной аппаратурой первого поколения (на электронных лампах)
аналогичная по назначению радиоэлектронная аппаратура второго
поколения (на полупроводниковых приборах, в том числе на транзисторе) имеет в десятки и сотни раз меньшие габариты и массу, более
высокую надежность и потребляет значительно меньшую электрическую мощность. Размеры полупроводникового элемента современного
транзистора весьма малы: даже в самых мощных транзисторах площадь кристалла не превышает нескольких квадратных миллиметров.
Надежность работы транзистора (определяется по среднему статистическому времени наработки на один отказ) характеризуется значения87

ми ~105 ч, достигая в отдельных случаях 106 ч. В отличие от электронных ламп транзисторы могут работать при низких напряжениях источников питания (до нескольких десятых долей вольтов), потребляя
при этом токи в несколько микроампер. Мощные транзисторы работают при напряжениях 10–30 В и токах до нескольких десятков ампер,
отдавая в нагрузку мощность до 100 Вт и более. Верхний предел диапазона частот усиливаемых транзистором сигналов достигает 10 ГГц,
что соответствует длине волны электромагнитных колебаний 3 см. По
шумовым характеристикам в области низких частот транзисторы
успешно конкурируют с малошумящими электрометрическими лампами. В области частот до 1 ГГц транзисторы обеспечивают значение
коэффициента шума не свыше 1,5–3,0 дБ. На более высоких частотах
коэффициент шума возрастает, достигая 6–10 дБ на частотах 6–10 ГГц.
Транзистор является основным элементом современных микроэлектронных устройств. Успехи планарной технологии позволили создавать на одном кристалле полупроводника площадью 30–35 мм2
электронные устройства, насчитывающие до нескольких десятков тысяч транзисторов. Такие устройства, получившие название интегральных микросхем (ИС), являются основой радиоэлектронной аппаратуры третьего поколения. Примером такой аппаратуры могут служить
наручные электронные часы, содержащие от 600 до 1 500 транзисторов, и карманные электронные вычислительные устройства (несколько
тысяч транзисторов). Переход к использованию ИС определил новое
направление в конструировании и производстве малогабаритной и
надежной радиоэлектронной аппаратуры, получившее название микроэлектроники. Достоинства транзисторов в сочетании с достижениями технологии их производства позволяют создавать ЭВМ, насчитывающие до нескольких сотен тысяч элементов, размещать сложные
электронные устройства на борту самолетов и космических летательных аппаратов, изготовлять малогабаритную радиоэлектронную аппаратуру для использования в самых различных областях промышленности, в медицине, быту и т. д. Наряду с достоинствами транзистор, как и
другие полупроводниковые приборы, имеет ряд недостатков. В первую
очередь – ограниченный диапазон рабочих температур. Так, германиевые
транзисторы работают при температурах не свыше 100 °С, кремниевые – 200 °С. К недостаткам транзисторов относятся также существенные изменения их параметров с изменением рабочей температуры и довольно сильная чувствительность к ионизирующим излучениям.
Если реализуются планы американской компании Ball Semiconductor Inc (BSI, Dallas, Texas), полупроводниковому чипу придется
потесниться. BSI полагает, что будущее принадлежит сферическим
кремниевым интегральным схемам. Разработанная фирмой сфери88

ческая литография позволяет формировать схемы (например, процессора) не на привычном плоском кристалле, а на кремниевом шарике
диаметром 1 мм. Весь технологический цикл – от формирования
кремниевых шариков до сборки схем – проводится в герметизированных кварцевых трубках. Шарики формируются из расплавленных поликремниевых гранул в процессе охлаждения трубки. При проведении
операций литографии, травления, диффузии, металлизации шарики
«всплывают» в трубке. BSI разработала систему зеркал с 45 гранями,
позволяющую переносить рисунок на поверхность сферы. В разработке системы принимала участие фирма Canon.
Предполагается, что изготовление ИС на шариках позволит сократить современные производственные расходы на 90 %. Производственная линия с полным циклом новой технологии обойдется в сумму ~100 млн долл. (для сравнения, современный завод с традиционной
технологией обходится в 1 млрд долл.).

2.3.1. Принцип действия биполярного транзистора
Биполярный транзистор – это полупроводниковый кристалл, разделенный на три части, которые называются эмиттером, базой и коллектором (рис. 2.1). В этих слоях за счет введения в эти области различных примесей соотношение свободных дырок и электронов различно. Причем области с преимущественно дырочной и преимущественно электронной проводимостью чередуются. Так, для pnpтранзистора в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем
электронов (говорят, что эти области обладают проводимостью pтипа). В базе же, наоборот, больше электронов (проводимость n-типа).
Пусть как на коллектор, так и на базу транзистора подан отрицательный потенциал относительно эмиттера – на базу меньший, на коллектор больший (рис. 2.1, а). Тогда электрическое поле на контакте
база – эмиттер направлено слева направо и способствует движению
дырок из эмиттера в базу, а электронов, наоборот – из базы в эмиттер.
Поле на контакте база-коллектор направлено также направо и препятствует переходу дырок из коллектора в базу и электронов из базы в
коллектор. Однако дырки, попавшие в базу из эмиттера, под действием этого поля свободно проходят в коллектор. Обычно базу делают
достаточно тонкой, поэтому в коллектор переходят практически все дырки из эмиттера, и в коллекторной цепи течет достаточно большой ток.
Теперь предположим, что потенциал базы относительно эмиттера стал положительным, а потенциал коллектора по-прежнему отрицателен (рис. 2.1, б). Тогда электрическое поле на контакте эмиттер –
база направлено налево, а на контакте база – коллектор – направо. Та89

ким образом, поле препятствует выходу электронов из базы в обе стороны, так же как и попаданию в нее дырок. Поэтому через контакты
течет только ток, связанный с движением неосновных зарядов – дырок
в базе и электронов в эмиттере и коллекторе. Так как число таких зарядов весьма невелико по сравнению с основными, то и ток в этом
случае пренебрежимо мал.

Рис. 2.1. Открытый (а) и закрытый (б) pnp-транзистор

Тем самым, варьируя напряжение между базой и эмиттером,
можно изменять значение коллекторного тока от максимального до
почти нулевого, т. е. «открывать» и «закрывать» транзистор. Это значит, что транзистор, как и вакуумный триод, может выполнять функцию «электронного вентиля».
В биполярном транзисторе носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В нем имеются два близко расположенных и
включенных навстречу друг другу перехода, которые образуют тем
самым три отдельных слоя pnp- либо npn-структуры. В pnp-транзисторе p-область, служащая слоем ввода, называется эмиттером; центральная n-область является базой; p-область, служащая выводом,
называется коллектором. В npn-транзисторе p- и n-области меняются
местами. В pnp-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный
переход, смещенный в прямом направлении, и собираются на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении; в n-p-n-приборе то же самое происходит с электронами. Количество инжектируе90

мых и собираемых носителей заряда можно менять путем изменения
малого тока, подаваемого в область базы. В результате на Rн можно
получать электрические сигналы, мощность которых будет во много
раз превосходить мощность, затраченную в цепи ЭП. Подобные же
физические процессы происходят и в транзисторе рnp-типа (рис. 2.1, б),
но в нем электроны и дырки меняются ролями, а полярности приложенных напряжений должны быть изменены на обратные. Эмиттер в
транзисторе может выполнять функции коллектора, а коллектор –
эмиттера (в симметричных транзисторах), для этого достаточно изменить полярность соответствующих напряжений.
В соответствии с механизмом переноса неосновных носителей
через базу различают бездрейфовые транзисторы, в базе которых
ускоряющее электрическое поле отсутствует и заряды переносятся от
эмиттера к коллектору за счет диффузии, и дрейфовые транзисторы, в
которых действуют одновременно два механизма переноса зарядов в
базе: их диффузия и дрейф в электрическом поле. По электрическим
характеристикам и областям применения различают транзисторы маломощные малошумящие (используются во входных цепях радиоэлектронных усилительных устройств), импульсные (в импульсных электронных системах), мощные генераторные (в радиопередающих
устройствах), ключевые (в системах автоматического регулирования в
качестве электронных ключей), фототранзисторы (в устройствах, преобразующих световые сигналы в электрические с одновременным
усилением последних) и специальные. Различают также низкочастотные транзисторы (в основном для работы в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот), высокочастотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц).

2.3.2. Полевой транзистор
Полевой транзистор (канальный транзистор) – полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено
носителями заряда только одного знака (электронами или дырками),
поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных). По физической структуре и механизму работы полевые
транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют полевые
транзисторы с управляющим р-n-переходом или переходом металл –
полупроводник, так называемым барьером Шоттки, вторую – полевые
транзисторы с управлением посредством изолированного электрода
(затвора), так называемые транзисторы МДП (металл – диэлектрик –
91

полупроводник). В последних в качестве диэлектрика используют
окисел кремния (МОП-транзистор) или слоистые структуры, например
SiO2 – Al2O3 (МАОП-транзистор), SiO2 – Si3N4 (МНОП-транзистор)
и др. К полевым транзисторам с изолированным затвором относят
также полевой транзистор с так называемым плавающим затвором и
полевой транзистор с накоплением заряда в изолированном затворе
(их применяют как элементы электронной памяти). В полевых транзисторах в качестве полупроводника используют в основном Si и GaAs,
в качестве металлов, образующих переход, – Al, Mo, Au. Полевые
транзисторы были созданы в 50–70-е гг. ХХ в. на основе работ американских ученых У. Шокли, С. Мида, Д. Канга, М. Аталлы и др.
Полевые транзисторы широко применяют в электронной аппаратуре для усиления электрических сигналов по мощности и напряжению. Полевые транзисторы – твердотельные аналоги электронных
ламп, они характеризуются аналогичной системой параметров – крутизной характеристики (0,1–400 мА/В), напряжением отсечки (0,5–20 В),
входным сопротивлением по постоянному току (1011–1016 Ом) и т. д.
Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом обладает
наиболее низким среди полупроводниковых приборов уровнем шумов
(являющихся в основном тепловыми шумами) в широком диапазоне
частот – от инфранизких до СВЧ (коэффициент шума лучших полевых
транзисторов < 0,1 Дб на частоте 10 Гц и ~ 2 Дб на частоте 400 МГц).
Мощность рассеяния полевых транзисторов такого типа может достигать нескольких десятков ватт. Их основной недостаток – относительно высокая проходная емкость, требующая нейтрализации ее при
большом усилении. В полевом транзисторе с переходом металл – полупроводник достигнуты наиболее высокие рабочие частоты (максимальная частота усиления по мощности лучших полевых транзисторов
на арсениде галлия превышает 40 ГГц). Полевой транзистор с изолированным затвором обладает высоким входным сопротивлением по
постоянному току (до 1016 Ом, что на 2–3 порядка выше, чем у других
полевых транзисторов, и сравнимо с входным сопротивлением лучших электрометрических ламп). В области СВЧ усиление и уровень
шумов у этих полевых транзисторов такие же, как и у биполярных
транзисторов (предельная частота усиления по мощности около
10 ГГц, коэффициент шума на частоте 2 ГГц около 3,5 дБ и динамический диапазон > 100 дБ), однако они превосходят последние по параметрам избирательности и помехоустойчивости (благодаря строгой
квадратичности передаточной характеристики). Относительная простота изготовления (по планарной технологии) и схемные особенности
построения позволили использовать их в больших интегральных схемах (БИС) устройств вычислительной техники (например, созданы
92

большие интегральные схемы, содержащие более 10 тыс. МДПтранзисторов в одном кристалле).
Важной особенностью МДП-транзистора является его двумерность.
Принципиальное устройство МДП-транзистора приведено на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема устройства полевого транзистора

Если на затвор подать положительный потенциал, то дырки,
находящиеся в полупроводниковой пластине, будут уходить как можно дальше от затвора, а электроны, которых мало в дырочном материале, будут, наоборот, подтягиваться к диэлектрическому слою, создавая между истоком и стоком проводящий электронный канал.
Настолько тонкий, что его вполне можно считать двумерным. Концентрация электронов в двумерном слое определяется напряжением на
затворе и практически не зависит от температуры. Это и позволяет
говорить о двумерном металле, а не о двумерном полупроводнике, поскольку независимость концентрации электронов проводимости от температуры является характерным признаком металла. Однако в практической реализации МДП-транзистора возникает ряд проблем. Окисление поверхности кремния приводит к микроскопическим напряжениям
и разупорядочению связей на поверхности, так как параметры решетки
кремния и SiO2 не совпадают. Это настолько мучительная проблема, что
обычно окисление проводят при небольшом парциальном давлении
воды, чтобы водород мог садиться на свободные связи кремния.
Биполярный транзистор – это, по существу, прибор, управляемый
током, а полевой транзистор – прибор, управляемый напряжением. Оба
типа транзисторов широко применяются в схемах микроэлектроники.

2.3.3. Гетероструктуры
Гетероструктуры получаются при создании контактов двух полупроводников с различными ширинами запрещенных зон. Они гораздо более легко реализуемые по сравнению с МДП-транзисторами.
Для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике и
имеющих меньшую энергию, граница будет играть роль потенциаль93

ного барьера. Два гетероперехода ограничивают движение электрона с
двух сторон, образуя потенциальную яму. Таким образом создают
квантовые ямы, помещая тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой
запрещенной зоной. В результате электроны заперты в одном
направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного
движения. В то же время в двух других направлениях движение
электронов будет свободным, поэтому электронный газ в квантовой
яме становится двумерным. Аналогично можно приготовить структуру, содержащую квантовый барьер. Для этого следует поместить
тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между
двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной. Экспериментальное исследование гетероструктур было проведено в 70-х гг. в
Ленинградском физико-техническом институте Ж. И. Алферовым,
теория разработана Г. Кремером.

***
Жорес Иванович Алферов родился 15 марта
1930 г. в белорусском г. Витебске. После 1935 г. семья
переехала на Урал. В г. Туринске Алферов учился в
школе с пятого по восьмой классы. 9 мая 1945 г. его
отец, Иван Карпович Алферов, получил назначение в
Минск, где Алферов окончил мужскую среднюю школу
№ 42 с золотой медалью. По совету школьного учителя
физики, Якова Борисовича Мельцерзона, Алферов
поступил на факультет электронной техники (ФЭТ)
Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ)
им. В. И. Ульянова. На третьем курсе Алферов пошел
работать в вакуумную лабораторию профессора
Б. П. Козырева. Там он начал экспериментальную работу под руководством Наталии Николаевны Созиной.
Со студенческих лет Алферов привлекал к участию в научных исследованиях
других студентов. Так, в 1950 г. полупроводники стали главным делом его жизни.
В 1953 г., после окончания ЛЭТИ, Алферов был принят на работу в Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе в лабораторию В. М. Тучкевича. В
первой половине 50-х гг. перед институтом была поставлена задача – создать
отечественные полупроводниковые приборы для внедрения в отечественную
промышленность. Лаборатория должна была получить монокристаллы чистого
германия и создать на его основе плоскостные диоды и триоды. При участии
Алферова были разработаны первые отечественные транзисторы и силовые
германиевые приборы. За комплекс проведенных работ в 1959 г. Алферов получил первую правительственную награду, также им была защищена кандидатская
диссертация, подводившая черту под десятилетней работой.
После этого перед Ж. И. Алферовым встал вопрос о выборе дальнейшего
направления исследований. Накопленный опыт позволял ему перейти к разработке собственной темы. В те годы была высказана идея использования в полупроводниковой технике гетеропереходов. Создание совершенных структур на их
основе могло привести к качественному скачку в физике и технике. В то время

94

во многих журнальных публикациях и на различных научных конференциях неоднократно говорилось о бесперспективности проведения работ в этом направлении, так как многочисленные попытки реализовать приборы на гетеропереходах не приводили к практическим результатам. Причина неудач крылась в трудности создания близкого к идеальному перехода, выявлении и получении необходимых гетеропар.
Но это не остановило Жореса Ивановича. В основу технологических исследований им были положены эпитаксиальные методы, позволяющие управлять такими фундаментальными параметрами полупроводника, как ширина
запрещенной зоны, величина электронного сродства, эффективная масса носителей тока, показатель преломления и т. д. внутри единого монокристалла.
Для идеального гетероперехода подходили GaAs и AlAs, но последний
почти мгновенно на воздухе окислялся. Значит, следовало подобрать другого
партнера. И он нашелся тут же, в институте, в лаборатории, возглавляемой
Н. А. Горюновой. Им оказалось тройное соединение AlGaAs. Так определилась
широко известная теперь в мире микроэлектроники гетеропара GaAs/AlGaAs.
Ж. И. Алферов с сотрудниками не только создали в системе AlGaAs – GaAs
гетероструктуры, близкие по своим свойствам к идеальной модели, но и первый
в мире полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме
при комнатной температуре.
Открытие Ж. И. Алферовым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений – «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в
гетероструктурах – позволило также кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально
новые, особенно перспективные для применения в оптической и квантовой
электронике. Новый этап исследований гетеропереходов в полупроводниках
Жорес Иванович обобщил в докторской диссертации, которую успешно защитил
в 1970 г.
Работы Ж. И. Алферова были по заслугам оценены международной и отечественной наукой. В 1971 г. Франклиновский институт (США) присуждает ему
престижную медаль Баллантайна, называемую «малой Нобелевской премией»
и учрежденную для награждения за лучшие работы в области физики. Затем
следует самая высокая награда СССР – Ленинская премия (1972).
С использованием разработанной Ж. И. Алферовым в 70-х гг. технологии
высокоэффективных, радиационно-стойких солнечных элементов на основе
AlGaAs/GaAs гетероструктур в России (впервые в мире) было организовано
крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для
космических батарей. Одна из них, установленная в 1986 г. на космической
станции «Мир», проработала на орбите весь срок эксплуатации без существенного снижения мощности.
На основе предложенных в 1970 г. Ж. И. Алферовым и его сотрудниками
идеальных переходов в многокомпонентных соединениях InGaAsP созданы
полупроводниковые лазеры, работающие в существенно более широкой спектральной области, чем лазеры в системе AlGaAs. Они нашли широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.
В начале 90-х гг. одним из основных направлений работ, проводимых под
руководством Ж. И. Алферова, становится получение и исследование свойств
наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек.
В 1993–1994 гг. впервые в мире реализуются гетеролазеры на основе
структур с квантовыми точками – «искусственными атомами». В 1995 г.
Ж. И. Алферов со своими сотрудниками впервые демонстрирует инжекционный
гетеролазер на квантовых точках, работающий в непрерывном режиме при ком-

95

натной температуре. Принципиально важным стало расширение спектрального
диапазона лазеров с использованием квантовых точек на подложках GaAs. Таким образом, исследования Ж. И. Алферова заложили основы принципиально
новой электроники на основе гетероструктур с очень широким диапазоном применения, известной сегодня как «зонная инженерия».
В одном из своих многочисленных интервью (1994) на вопрос корреспондента «По слухам, Вы нынче были представлены к Нобелевской премии. Не
обидно, что не получили?» Жорес Иванович ответил: «Слышал, что представляли уже не раз. Практика показывает – либо ее дают сразу после открытия (в
моем случае это середина 70-х гг.), либо уже в глубокой старости. Так было с
П. Л. Капицей. Значит, у меня еще все впереди» [20].
Здесь Жорес Иванович ошибся. Как говорится, награда нашла героя
раньше наступления глубокой старости. 10 октября 2000 г. по всем каналам
российского телевидения сообщили о присуждении Ж. И. Алферову Нобелевской премии по физике за 2000 г.
«Современные информационные системы должны отвечать двум простым, но основополагающим требованиям: быть быстрыми, чтобы большой
объем информации можно было передать за короткий промежуток времени, и
компактными, чтобы уместиться в офисе, дома, в портфеле или кармане» [5].
Своими открытиями Нобелевские лауреаты по физике за 2000 г. создали
основу такой современной техники. Жорес Иванович Алферов и Герберт Кремер
открыли и развили быстрые опто- и микроэлектронные компоненты, которые
создаются на базе многослойных полупроводниковых гетероструктур. Гетеролазеры передают, а гетероприемники принимают информационные потоки по волоконно-оптическим линиям связи. Гетеролазеры можно обнаружить также в
проигрывателях CD-дисков, устройствах, декодирующих товарные ярлыки, в
лазерных указках и во многих других приборах. На основе гетероструктур созданы мощные высокоэффективные светоизлучающие диоды, используемые в
дисплеях, лампах тормозного освещения в автомобилях и светофорах. В гетероструктурных солнечных батареях, которые широко используются в космической и наземной энергетике, достигнуты рекордные эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую.
Джек Килби награжден за свой вклад в открытие и развитие интегральных
микросхем, благодаря чему стала быстро развиваться микроэлектроника, являющаяся – наряду с оптоэлектроникой – основой всей современной техники.
В 1973 г. Алферов, при поддержке ректора ЛЭТИ А. А. Вавилова, организовал базовую кафедру оптоэлектроники (ЭО) на факультете электронной техники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе.
В невероятно сжатые сроки Ж. И. Алферов совместно с Б. П. Захарченей
и другими учеными физтеха разработал учебный план подготовки инженеров по
новой кафедре. Он предусматривал обучение студентов первого и второго курсов в стенах ЛЭТИ, поскольку уровень физико-математической подготовки на
ФЭТ был высоким и создавал хороший фундамент для изучения специальных
дисциплин, которые начиная с третьего курса читались учеными физтеха на его
территории. Там же с использованием новейшего технологического и аналитического оборудования выполнялись лабораторные практикумы, а также курсовые и дипломные проекты под руководством преподавателей базовой кафедры.
Прием студентов на первый курс в количестве 25 человек осуществлялся
через вступительные экзамены, а комплектование групп второго и третьего курсов для обучения на кафедре ОЭ проходило из студентов, обучавшихся на ФЭТ
и на кафедре диэлектриков и полупроводников электрофизического факультета.
Комиссию по отбору студентов возглавлял Жорес Иванович. Из примерно 250
студентов, обучавшихся на каждом курсе, было отобрано по 25 лучших. 15 сен-

96

тября 1973 г. начались занятия студентов вторых и третьих курсов. Для этого
был подобран прекрасный профессорско-преподавательский состав.
Ж. И. Алферов очень большое внимание уделял и уделяет формированию контингента студентов первого курса. По его инициативе в первые годы
работы кафедры в период весенних школьных каникул проводились ежегодные
школы «Физика и жизнь». Ее слушателями были учащиеся выпускных классов
школ Ленинграда. По рекомендации учителей физики и математики наиболее
одаренным школьникам вручались приглашения принять участие в работе этой
школы. Таким образом набиралась группа в количестве 30–40 человек. Они размещались в институтском пионерском лагере «Звездный». Все расходы, связанные с проживанием, питанием и обслуживанием школьников, вуз брал на себя.
На открытие школы приезжали все ее лекторы во главе с
Ж. И. Алферовым. Все проходило и торжественно, и очень по-домашнему.
Первую лекцию читал Жорес Иванович. Он так увлекательно говорил о физике,
электронике, гетероструктурах, что все его слушали как завороженные. Но и
после лекции не прекращалось общение Ж. И. Алферова с ребятами. Окруженный ими, он ходил по территории лагеря, играл в снежки, дурачился. Насколько
неформально он относился к этому «мероприятию», говорит тот факт, что в эти
поездки Жорес Иванович брал свою жену Тамару Георгиевну и сына Ваню...
Результаты работы школы не замедлили сказаться. В 1977 г. состоялся
первый выпуск инженеров по кафедре ОЭ, количество выпускников, получивших
дипломы с отличием, на факультете удвоилось. Одна группа студентов этой
кафедры дала столько же «красных» дипломов, сколько остальные семь групп.
В 1988 г. Ж. И. Алферов организовал в Политехническом институте физико-технический факультет. Следующим логическим шагом стало объединение
этих структур под одной крышей. К реализации данной идеи Ж. И. Алферов
приступил еще в начале 90-х гг. При этом он не просто строил здание Научнообразовательного центра, он закладывал фундамент будущего возрождения
страны... И вот первого сентября 1999 г. здание Научно-образовательного центра (НОЦ) вступило в строй.
Свою Нобелевскую премию Жорес Иванович потратил на поддержку фундаментальных исследований молодых ученых.
Алферов всегда остается самим собой. В общении с министрами и студентами, директорами предприятий и простыми людьми он одинаково ровен. Не
подстраивается под первых, не возвышается над вторыми, но всегда с убежденностью отстаивает свою точку зрения.
Ж. И. Алферов всегда занят. Его рабочий график расписан на месяц вперед, а недельный рабочий цикл таков: утро понедельника – физтех (он его директор), вторая половина дня – Санкт-Петербургский научный центр (он председатель); вторник, среда и четверг – Москва (он член Государственной думы и
вице-президент РАН, к тому же нужно решать многочисленные вопросы в министерствах) или Санкт-Петербург (тоже вопросов выше головы); утро пятницы –
физтех, вторая половина дня – Научно-образовательный центр (директор). Это
только крупные штрихи, а между ними – научная работа, руководство кафедрой
ОЭ в ЭТУ и физико-техническим факультетом в ТУ, чтение лекций, участие в
конференциях. Всего не перечесть!
Наш лауреат – прекрасный лектор и рассказчик. Неслучайно все информационные агентства мира отметили именно алферовскую Нобелевскую
лекцию, которую он прочитал на английском языке без конспекта и с присущим ему блеском.
При вручении Нобелевских премий существует традиция, когда на банкете, который устраивает король Швеции в честь Нобелевских лауреатов (на нем
присутствуют свыше тысячи гостей), представляется слово только одному лау-

97

реату от каждой «номинации». В 2000 г. Нобелевской премии по физике были
удостоены три человека: Ж. И. Алферов, Герберт Кремер и Джек Килби. Так вот
двое последних уговорили Жореса Ивановича выступить на этом банкете. И он
эту просьбу выполнил блестяще, в своем слове удачно обыграв нашу российскую привычку делать «одно любимое дело» на троих.
В своей книге «Физика и жизнь» Ж. И. Алферов, в частности, пишет: «Все,
что создано человечеством, создано благодаря науке. И если уж суждено нашей
стране быть великой державой, то она ею будет не благодаря ядерному оружию
или западным инвестициям, не благодаря вере в Бога или Президента, а благодаря труду ее народа, вере в знание, в науку, благодаря сохранению и развитию
научного потенциала и образования. Десятилетним мальчиком я прочитал замечательную книгу Вениамина Каверина «Два капитана». И всю последующую
жизнь я следовал принципу ее главного героя Сани Григорьева: «Бороться и
искать, найти и не сдаваться». Правда, очень важно при этом понимать, за что
ты берешься» [5].

***
Герберт Кремер (Herbert Kroemer) – американский физик немецкого происхождения. Родился 25 августа 1928 г. в Веймаре (Германия) В 1947 г. Кремер
поступил в Йенский университет. В 1948 г. бежал от
репрессий в Западный Берлин и с помощью А. Кенига и
В. Паули поступил в Геттингенский университет. С
1952 г. работал в Центральной лаборатории телекоммуникаций Почтовой службы Германии. В настоящее
время Кремер работает в Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре.
Изучал взаимодействие двух периодических потенциалов на границе двух сред с разными электрическими свойствами. В 1954 г. он опубликовал статью,
содержащую самые первые соображения о биполярных
транзисторах на гетероструктурах, и в том же году он был приглашен на работу
в телерадиокомпанию RCA в Принстоне (США). Ввел представление о квазиэлектрических полях, которое считает фундаментальным принципом разработки гетероструктур. В 1963 г. предложил защитить гетеропереход другими
полупроводниковыми структурами с более широкой запрещенной зоной для
получения непрерывной инверсной заселенности при комнатной температуре.
В 1968 г. Кремер перешел в университет штата Колорадо и 1970-е гг. посвятил
изучению так называемых квантовых стенок – гетероструктур со специально
разработанными запрещенными зонами. Однако в конце 1970-х он вернулся к
полупроводниковым приборам на гетероструктурах. В настоящее время его
научные интересы сосредоточены на «сверхгетероструктурах»: он участвует в
разработке полупроводников, являющихся токоподводами для сверхпроводниковых электродов.
В 1973 г. он был удостоен Эберсовской премии Американского института
инженеров-электриков (IEEE), в 1982 г. – Велькеровской медали Международного симпозиума по GaAs, в 1986 г. – премии Мортона IEEE, в 1994 г. – Гумбольдтовской премии и в 2000 г. – Нобелевской премии по физике – совместно с
Ж. Алферовым и Дж. Килби.

98

Ж. И. Алферов так описал основные преимущества полупроводниковых лазеров на двойной гетероструктуре: «Области рекомбинации, светового излучения и инверсной населенности совпадают и полностью сосредоточены в среднем слое. Благодаря потенциальным барьерам на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны... рекомбинация в эмиттерах равна нулю. Инверсия населенности для получения стимулированного излучения может быть достигнута чисто инжекционным способом (двойная инжекция), и для ее
получения не требуется высокого уровня легирования средней области... Вследствие заметной разницы в диэлектрических постоянных,
свет полностью сосредоточен в среднем слое, играющем роль высококачественного волновода...» [5].

Рис. 2.3. Зонная диаграмма (энергетическая схема) двойной гетероструктуры:
внутри полупроводника с большей шириной запрещенной зоны содержится слой
(толщиной несколько десятых долей микрона) полупроводника
с меньшей шириной запрещенной зоны. Ec – край зоны проводимости; Ev – край
валентной зоны. Незаштрихованная часть рисунка между кривыми Ev и Fp –
область, заполненная дырками, заштрихованная часть между кривыми Ec и Fn –
область, заполненная электронами. Fp и Fn – положение уровня Ферми для дырок и электронов соответственно

Однако, хотя высказываемые идеи звучали красиво, их в то время мало кто воспринимал всерьез. Подавляющее большинство исследователей скептически относилось к возможности создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей, считая патент лазера
на двойной гетероструктуре пустой бумажкой. Скептицизм этот был понятен. Во-первых, необходимо было найти подходящую гетеропару, т. е.
два материала с очень близкими постоянными решетки и многими другими хорошо сочетающимися свойствами. Во-вторых, технологии выращивания полупроводниковых структур были далеки от совершенства.
Надо сказать, что практически идеальная гетеропара существовала – еще в 1915 г. было получено соединение AlAs, имеющее очень
близкий к GaAs период решетки. Однако было известно, что AlAs является химически нестабильным и разлагается во влажной атмосфере,
так что возможность изготовления пригодных для практического применения устройств на основе гетероструктур GaAs/AlAs казалась ма99

лоперспективной. Поэтому группа Ж. И. Алферова поначалу пыталась
реализовать свою идею на основе гетеропары GaAs/GaAsP (GaAsP –
трехкомпонентный твердый раствор GaAsxP1-x). Однако из-за некоторого несоответствия параметров решетки лазерную генерацию удавалось получить только при низких температурах. К концу 1966 г. стало
ясно, что на основе этой гетеропары не удастся реализовать потенциальные преимущества двойной гетероструктуры. Необходимо было
искать другие варианты. Как это часто бывает, помог случай: сотрудник группы Ж. И. Алферова, Д. Н. Третьяков, обнаружил, что с кристаллами твердого раствора AlGaAs, пролежавшими более двух лет в
ящике стола, за это время ничего не случилось. Открытие было более
чем вдохновляющим, так как гетеропара GaAs/AlGaAs позволяла создать решеточно-согласованную гетероструктуру, т. е. избежать возникновения в структуре напряжений. Это очень важно, потому что
при превышении некоторой (зависящей от различия параметров решетки) толщины кристаллической решетке в напряженном среднем
слое становится выгодным «отстроиться» от периода решетки окружающего материала. Такое «отстроение» происходит путем образования многочисленных дефектов кристаллической структуры (дислокаций несоответствия), что ведет к резкому ухудшению качества структуры. Надо отметить, что и до сих пор гетеропара GaAs/AlGaAs чаще
всего используется в исследованиях свойств низкоразмерных полупроводниковых структур.
Исследование свойств гетероперехода GaAs/AlGaAs и усовершенствование технологии выращивания структур – жидкофазной эпитаксии – дало возможность уже в 1970 г. реализовать непрерывный
режим лазерной генерации (рис. 2.4) при комнатной температуре. Сообщение об этом вызвало взрыв интереса к физике и технологии полупроводниковых гетероструктур (в настоящий момент большинство
исследователей, работающих в области физики полупроводников, занимаются именно полупроводниковыми гетероструктурами). Практически в то же время было найдено решение, сильно расширяющее
возможности подбора решеточно-согласованных гетеропар, – использование четверных твердых растворов (вначале исследовались различные составы InGaAsP). Действительно, каждое из соединений (в данном случае – InAs, GaAs, InP, GaP) имеет свою ширину запрещенной
зоны и постоянную решетки. Если на графике, по одной из осей которого отложена постоянная решетки, а по другой – ширина запрещенной зоны, поставить четыре точки, соответствующие параметрам этих
соединений, то они образуют четырехугольник. Меняя состав четырехкомпонентного раствора InxGa1-xAsyP1-y (x и y – доли различных
компонент), можно получать любые значения постоянной решетки и
ширины запрещенной зоны в пределах этого четырехугольника.
100

Рис. 2.4. Схематическое изображение первого
в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего
в непрерывном режиме при комнатной температуре

В том же 1970 г. случилось другое важное событие, появилась
работа Л. Эсаки и Р. Цу, посвященная исследованию свойств сверхрешеток – нового вида полупроводниковых гетероструктур. Основным мотивом их деятельности было желание реализовать на базе подобных структур «блоховский осциллятор», или, если подойти к вопросу с практической стороны, создать сверхвысокочастотный генератор. Так было положено начало новому разделу физики полупроводников – физике низкоразмерных структур.
Но прежде чем рассказать о том, что же представляет собой
сверхрешетка, разберемся с более простой структурой. На рис 2.5
изображена обычная двойная гетероструктура. Проведем небольшой
мысленный эксперимент: будем уменьшать толщину среднего слоя.
Неизбежно наступит момент, когда квазичастицы (электроны и дырки) почувствуют конечность толщины слоя (см. рис. 2.5). Ситуация с
точностью до наоборот отвечает описанной выше для одномерной
потенциальной ямы: для тонких слоев начинают проявляться эффекты
размерного квантования, непрерывный спектр «сменяется» дискретным набором уровней энергии. Правда, есть важное отличие от рассмотренного выше случая – в направлении роста структуры мы действительно имеем потенциальную яму. Но электроны и дырки могут
свободно перемещаться в плоскости слоя, поэтому спектр в реальности является не дискретным, а непрерывным, и существует не набор
уровней, а набор энергетических подзон. Каков характерный размер (в
данном случае – толщина слоя), при котором начинают играть существенную роль квантовомеханические эффекты? Он должен быть сопоставим с длиной волны электрона (дырки), которая вблизи дна зоны
101

проводимости (потолка валентной зоны) составляет десятки постоянных решетки, т. е. толщина слоя должна быть в пределах одного-двух
десятков нанометров. Подобные гетероструктуры с тонкими (несколько нанометров) слоями называются «квантовыми ямами».

Рис. 2.5. Энергетический спектр гетероструктуры

Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению
уровней размерного квантования (Ec и Ev – края зоны проводимости и
валентной зоны соответствено, Ee и Eh – уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет
спектр излучения структуры, и, таким образом, энергия испускаемого
при рекомбинации электрона и дырки фотона (E1 и E2 на схемах слева
и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон
материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому
E2 > E1. Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как
эффективная масса у дырки больше, чем у электрона.
Существует естественный предел уменьшения толщины квантовой ямы: нельзя вырастить сплошной слой тоньше, чем один атомный
слой. И конечно, структуры с такими ультратонкими (десятые доли
нанометра) слоями были выращены. На секунду остановитесь и попытайтесь представить – один-два-три слоя атомов в окружении другого
материала. Возможно ли, чтобы этот тончайший слой как-то проявил
себя? И вообще, возможно ли избежать того, чтобы через некоторое
время слой просто не рассосался (атомы одного сорта не перемешались с атомами другого сорта)? На эти вопросы есть совершенно
определенные ответы. 1. Как это ни удивительно, иногда следы присутствия такого слоя можно увидеть... невооруженным глазом. Дело в
том, что введение тончайшего слоя полупроводника B в матрицу по102

лупроводника A радикально меняет спектр люминесценции структуры. В нем доминирует именно линия излучения квантовой ямы,
намного превосходя по интенсивности все остальные линии – даже
столь тонкая квантовая яма служит эффективной ловушкой для электронов и дырок. И, скажем, вместо зеленого света структура с ультратонкой квантовой ямой светит желтым или красным (в зависимости от
толщины). 2. Имеются структуры с ультратонкими квантовыми ямами
и квантовыми точками (о них речь впереди) CdTe в ZnTe, выращенными в новосибирском институте физики полупроводников более десяти лет назад. За это время эти структуры десятки раз помещали в
криостат, охлаждая до 5 K и снова отогревая. И с ними ничего не случилось! Они светят так же интенсивно и в том же диапазоне, как и
десять лет назад.
Вернемся теперь к сверхрешеткам. Сверхрешетка представляет
собой последовательность чередующихся слоев более узкозонного
(яма) и более широкозонного (барьер) полупроводников, по сути,
набор связанных квантовых ям. Появление дополнительного периода
(толщина слоя ямы + толщина слоя барьера), превышающего период
кристаллической решетки (отсюда термин «сверхрешетка»), приводит
к изменению энергетического спектра структуры. Хорошая аналогия
тут – образование естественных кристаллов из отдельных атомов. Изза того что волновые функции электронов перекрываются (электроны
чувствуют друг друга), система уровней энергии атомов преобразуется в систему энергетических полос (зон), в пределах которых электроны могут свободно перемещаться по кристаллу. Так и в сверхрешетке
уровни в отдельных квантовых ямах сливаются в энергетические минизоны, только, в отличие от естественного кристалла, ширинами мини-зон можно управлять, меняя толщины барьеров. С некоторой долей
условности можно сказать, что сверхрешетка представляет собой одномерный кристалл, созданный человеком. Именно термин «созданный человеком кристалл» и употребил в своей работе Л. Эсаки.
Нельзя не сказать хотя бы нескольких слов о современных методиках получения полупроводниковых гетероструктур. Один основных
методов выращивания гетероструктур – молекулярно-пучковая эпитаксия. Из специальных ячеек, в которых содержатся исходные компоненты, происходит медленное напыление вещества на шайбу из
полупроводникового материала (подложку). Скорости роста (слой с
толщиной один микрон выращивается несколько часов) и другие
условия таковы, что происходит послойный рост атомных слоев, что
позволяет добиться высокого кристаллического совершенства получаемых структур. Естественно, процедура напыления протекает в высоком вакууме (в современных установках в отсутствие потоков веще103

ства из ячеек можно получить вакуум не хуже нескольких единиц на
10–11 торр). Высокотехнологичные установки дают возможность, контролируемым образом изменяя условия (температуру подложки, давление потоков из источников с различными компонентами (в частности, открывая и закрывая заслонки у разных ячеек) и т. д.), получать
сложные гетероструктуры с заданными свойствами.
Пропев дифирамбы могучей дорогостоящей современной технике (слишком часто зарубежной, а не отечественной, увы), обратим
внимание на очень важную вещь. Мы говорили об изменении энергетического спектра структуры вследствие локализации электронов и
дырок в квантовой яме. А будут ли эти квазичастицы, локализованные
в столь тонком слое, вести себя так же, как в объемном (трехмерном)
полупроводнике: фактически для движения им остаются только два
измерения? Разве это не должно соответствующим образом изменить
свойства электронной подсистемы кристалла? Понижение размерности действительно имеет место. В случае квантовых ям поэтому говорят о двумерном электронном газе. И соответственно, квантовые ямы
можно назвать квазидвумерными структурами. Нет никакой возможности отразить всю совокупность явлений, связанных с подобным изменением эффективной размерности пространства. Можно только сказать, что за открытие и исследование квантового эффекта Холла (целочисленного и дробного, когда квазичастицы ведут себя так, будто
имеют дробный заряд) при изучении свойств двумерного электронного газа присуждено две Нобелевские премии.
Проиллюстрировать физику можно на одном примере. В простейшем атоме, атоме водорода, где один электрон взаимодействует с
одним протоном, можно получить аналитическое решение задачи на
определение энергетического спектра. В полупроводниках при низких
температурах существуют водородоподобные квазиатомы – экситоны.
Экситон представляет собой связанное состояние электрона и дырки,
возникающее в результате кулоновского взаимодействия. Еще более
точной будет аналогия со связанным состоянием электрона и позитрона, позитронием, поскольку экситон нестабилен, т. е. имеет конечное
время жизни. Образующие экситон электрон и дырка могут рекомбинировать (аннигилировать), испустив фотон. Но электрон и дырка взаимодействуют не в вакууме, а в среде с диэлектрической проницаемостью порядка 10, и, кроме того, эффективная масса этих квазичастиц
меньше массы свободного электрона (грубо говоря, чтобы корректно
описать поведение электрона, живущего в кристаллической решетке,
можно считать его частицей с массой, отличной от массы свободного
электрона). Поэтому энергия связи экситона в полупроводниках примерно на три порядка меньше, чем энергия связи электрона и протона
104

в атоме водорода. Так что экситоны в объемных полупроводниках не
доживают до комнатной температуры (даже если в институте не топят), с ростом температуры за счет взаимодействия с колебаниями решетки происходит диссоциация экситона – распад на электрон и дырку.
Что же будет происходить с экситоном при понижении размерности? Решая уравнение Шредингера в чисто двумерном случае, мы
получим ответ: энергия связи экситона должна увеличиться в четыре
раза. Действительно, энергия связи экситона в квантовых ямах возрастает (экситоны в квантовых ямах могут существовать и при комнатной
температуре), но не столь сильно. Необходимо учесть, что чисто двумерная ситуация – идеализация. В реальности высота потенциального
барьера всегда конечна, как и ширина квантовой ямы (толщина слоя),
поэтому экситон никогда не становится чисто двумерным. Энергия
связи экситона имеет максимум при некоторой промежуточной ширине квантовой ямы. Дело в том, что по мере уменьшения толщины
ямы из-за конечности высоты барьера уровень энергии выталкивается
вверх и экситон становится все более трехмерным, можно сказать, что
эффективная размерность системы повышается.
После квазидвумерных структур должны по идее идти квазиодномерные и квазинульмерные. Они существуют: «квантовые проволоки» (иногда их называют «квантовыми нитями») – квазиодномерные
струтуры. Носители заряда в квантовой проволоке локализованы в
двух направлениях и могут свободно перемещаться в одном, вдоль
проволоки. И наконец, квазинульмерные структуры – квантовые точки. На первых порах наряду с не устоявшимся еще термином «квантовые точки» бытовал термин «квантовые ящики», по-видимому, более
наглядный. По существу, это трехмерные потенциальные ямы, т. е.
квазичастицы локализованы во всех трех направлениях. Естественно,
характерные размеры такого объекта, называй ли его точкой (с точки
зрения человека) или ящиком (с точки зрения электрона), – те же самые несколько нанометров. Полная – во всех направлениях – локализация приводит к тому, что энергетический спектр подобной структуры по-настоящему дискретен. Именно по этой причине квантовые
точки иногда называют искусственными атомами – эти изготовленные
человеком объекты нанометровых размеров имеют квазиатомный
(дискретный) энергетический спектр.
У вас, видимо, возникает законный вопрос: вырастить квантовую
яму просто, ввели тонкий слой одного полупроводника в матрицу другого, и пожалуйста, однако как же получить квантовые проволоки и
квантовые точки? Можно, конечно вырезать полоски (квантовые нити)
или квантовые точки из выращенных плоских слоев с помощью литографии, иногда так и поступают. Однако это не самый удобный и лег105

кий путь. Более хороший способ – спонтанное формирование квантовых точек в процессе роста. Помните, как важно было на первом этапе
найти идеальную гетеропару, материалы с близкими постоянными
решетки? Так вот, с развитием технологии оказалось, что напряжения
в структуре могут играть и положительную роль. При росте ультратонких напряженных слоев иногда оказывается термодинамически
выгодным не двумерный (послойный) рост, а трехмерный рост – распад
сплошного слоя на массив отдельных островков-включений (рис. 2.6).
Так происходит, например, в наиболее хорошо исследованной системе
InAs/GaAs, где постоянные решетки соединений InAs и GaAs различаются на 7 %. В этой системе самопроизвольно формируются квантовые точки в форме... пирамидок с квадратным основанием (сторона
квадрата порядка 12 нм) и высотой до 6 нм. Но возможны варианты –
в системе CdSe/ZnSe (те же 7 % разницы постоянных решетки) квантовые точки образуются в форме плоских блинчиков.

Рис. 2.6. Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху),
полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии.
Важно отметить, что формирование квантовых точек происходит
без образования дислокаций несоответствия
(говорят о системе когерентно напряженных трехмерных островков)

Пожалуй, наше путешествие подходит к логическому концу. Как
нельзя вычерпать кружкой море, так и невозможно дать развернутую
картину происходящего в физике низкоразмерных структур и нарисовать перспективы практического применения гетероструктур и наноструктур. Ограничимся одним примером. С точки зрения практического применения история развития полупроводниковых лазеров – это
106

в значительной степени история борьбы за снижение их порогового
тока, при котором начинается лазерная генерация. Действительно,
большие токи – это большие рассеиваемые мощности, соответственно,
перегрев и ускоренная деградация полупроводниковой структуры.
Малые пороговые токи – это долгоживущие миниатюрные лазерные
устройства. На рис. 2.7 показана временная эволюция пороговой
плотности тока полупроводниковых лазеров. Видно, сколь велика заслуга полупроводниковых гетероструктур (в особенности низкоразмерных структур) – пороговую плотность тока удалось снизить более
чем на три порядка.

Рис. 2.7. Эволюция порогового тока полупроводниковых лазеров.
Стрелками показаны важные этапы, слева направо: влияние двойных
гетероструктур, влияние квантовых ям, влияние гетероструктур, содержащих
квантовую яму «в окружении» короткопериодных сверхрешеток (рекордный для
2
своего времени результат 40 А/см был получен в Физико-техническом
институте им. А. Ф. Иоффе). Данный график отражает ситуацию
на момент середины 1990-х гг., в настоящее время лазеры на квантовых точках
2
имеют пороговые плотности тока порядка 15 А/см

Если классические гетероструктуры открыли новые технологические горизонты, то использование низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур дает исследователям, технологам и инженерам
практически неограниченную свободу действий. Можно сказать, что
Нобелевский лауреат Ж. И. Алферов подарил человечеству своего
рода конструктор. Поскольку в наноструктурах существенную роль
107

играют квантовомеханические эффекты, можно даже сказать квантовый конструктор. Путем подбора параметров гетероструктуры (материалы, толщины, последовательность расположения слоев и т. д.) исследователи теперь в состоянии получать структуры с требуемыми
свойствами. Например, просто меняя номинальную толщину слоя
CdTe в матрице ZnTe с 0,3 до 1,2 нм, мы изменяем длину волны излучения (при температуре 5 K) с 530 до 620 нм, т. е. переходим из зелено-желтой области видимого спектра в красную.
Наверное, стоит сказать несколько слов и о том, как обстоят дела
с исследованием низкоразмерных структур в России в настоящее время. Сложные методики роста, сложные экспериментальные методики – все это требует значительных финансовых затрат. Современная
установка для молекулярно-лучевой эпитаксии, к примеру, стоит порядка миллиона долларов. Тем не менее, пока уровень российских
научных работ в этой области остается достаточно высоким. И Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе, директором которого в
настоящее время является Ж. И. Алферов, по праву можно назвать
ведущим в России исследовательским центром в области полупроводниковых наноструктур. Высокий творческий потенциал, умелое использование советского технологического задела и широкая международная кооперация позволяют исследователям из питерского физтеха
быть на переднем крае физики.
Для изготовления гетероструктур разработано несколько типов
технологических процессов. Однако наилучшие результаты в приготовлении квантовых структур достигнуты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Несколько потоков атомов, которые получаются испарением вещества из отдельных нагретых источников, одновременно направляют на тщательно очищенную подложку. Чтобы
избежать загрязнения, выращивание структуры производят в глубоком
вакууме. Весь процесс управляется компьютером. Химический состав
и кристаллическая структура выращиваемого слоя в процессе роста
контролируется методами рентгеновской и оже-спектроскопии, состав
газовой фазы – методами масс-спектроскопии. Таким образом удается
выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего
в несколько периодов решетки. Образование гетероперехода, требующее стыковки кристаллической решетки, возможно лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллической решетки сращиваемых материалов. Кроме того, в идеальном гетеропереходе граница
раздела должна быть свободна от структурных и других дефектов, а
также от механических напряжений. Наиболее широко применяются
монокристаллические гетеропереходы на основе арсенида галлия
GaAs и твердого раствора AlxGa1-xAs, в котором часть атомов галлия,
108

обычно в пределах от 0,15 до 0,35, замещена атомами алюминия. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия составляет 1,5 эВ, а в твердом растворе AlxGa1-xAs она растет с ростом х. Так, при х = 1, т. е. в
соединении AlAs, ширина запрещенной зоны равна 2,2 эВ. Поверхность раздела между GaAs и твердым сплавом AlxGa1-xAs является
эпитаксиальной, но атомы алюминия замещают галлий в решетке
GaAs случайным образом и являются рассеивающими центрами. В
обеих системах существует проблема легирующих ионов, которые
также являются сильными рассеивателями, ибо, потеряв часть электронов, они создают сильное кулоновское поле. Техника модулированного легирования, разработанная Х. Штермером, А. Госсардом,
В. Вигманом и Р. Динглом, очень сильно подавляет данный эффект.
Аналогичным образом можно изготовить квантовые нити и
квантовые точки. Одноэлектронные транзисторы, в которых электроны поодиночке перепрыгивают с истока на наноостровок кремния и далее на сток, сегодня изучаются не только сами по себе, но и
в связи с попытками построить квантовый компьютер. Расположив
рядом с транзисторным наноостровком еще одну квантовую точку – кубит, охлажденный до 0,005 К, физики из Кембриджского
университета сумели организовать интерфейс между квантовыми и
макроскопическими процессами.
В нанотранзисторах существенно меньше рабочие напряжения и
токи, что позволяет значительно уменьшить такую характеристику
процессоров, как произведение энергии переключения на время срабатывания электронного ключа. Популярность МДП-технологий с каждым годом растет, и все больше микросхем и процессоров изготавливаются на кремниевых слоях толщиной в несколько десятков или сотен нанометров, отделенных от основного слоя кремния слоем окисла
кремния либо другого химического элемента, например диоксида гафния. Последний обладает меньшей проводимостью и большей диэлектрической проницаемостью, что позволяет уменьшить токи утечки и
рабочие напряжения транзисторов.
По прогнозам аналитиков, лет через десять-пятнадцать технологии вплотную подойдут к тому рубежу, за которым квазиклассические
представления о протекании тока и работе транзисторов уже не применимы, и надо будет переходить к квантовому описанию. Но эта область изучена недостаточно, и необходимы значительные фундаментальные исследования. Тогда как основные производители микросхем
полагают, что на классических принципах, с рабочими размерами
элементов порядка 10 нм, еще долго можно будет успешно удовлетворять растущие не по дням, а по часам потребности пользователей персональных компьютеров и сотовых телефонов.
109

2.3.4. p-n-p-n-приборы
Четырехслойная структура, называемая триодным тиристором
(SCR), представляет собой наиболее важный тип приборов со структурой p-n-p-n. Другие приборы с этой структурой – двухвыводной и
двусторонний диоды.
Тиристор представляет собой эффективный переключатель, позволяющий работать со значительными уровнями мощностей. При
прямом напряжении на тиристоре переход B имеет смещение в обратном направлении, так что тока через него практически нет. Но когда
напряжение смещения в прямом направлении увеличивается до некоторого критического уровня, на переходе B развивается лавинный
процесс. Носители заряда инжектируются затем в средние области N и
P, вызывая диффузию дырок на переходе A p-n-p-структуры и диффузию электронов на переходе C n-p-n-структуры. В результате ток увеличивается, и падение напряжения на приборе становится малым.
Этот процесс можно инициировать при меньшем прямом смещении,
инжектируя небольшой ток в одну из точек слоя p управляющего
электрода. Отсюда следует, что SCR может служить почти идеальным
переключателем, в котором практически не протекает ток в закрытом
состоянии, но в открытом состоянии течет значительный ток при низком напряжении. Приборы SCR широко используются в схемах
управления электродвигателями и печами, в регуляторах освещения и
других применениях.

2.3.5. Сверхвысокочастотные приборы
Транзисторы находят также широкое применение в СВЧтехнике. К тому же сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два вывода,
но обладающих отрицательным сопротивлением, подобно туннельным
диодам. К наиболее распространенным СВЧ-приборам такого типа
относятся лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.
В лавинно-пролетном диоде при лавинном пробое в обратносмещенном p-n-переходе возникают избыточные носители в области
дрейфа, т. е. в области, где носители заряда движутся под влиянием
приложенного напряжения. Если размер области дрейфа выбран правильно, то избыточные носители проходят ее на протяжении отрицательного полупериода напряжения переменного тока. Далее ток увеличивается при уменьшении напряжения. При этом существует своего
рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в
объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний.
110

Принцип действия диода Ганна основан на свойстве таких полупроводников, как GaAs и InP, вызывать замедление электронов в материале при некоторой критической напряженности электрического
поля. В соответствии с законом Ома ток при слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (с
напряженностью порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до величин, при которых
свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничивается. Вследствие их пониженной подвижности при превышении
напряженностью электрического поля некоторого критического уровня
электроны еще более замедляются. Как и в лавинно-пролетном диоде,
здесь возникает некоторая разновидность отрицательной проводимости,
которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний.

2.4. Графен
Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных
посредством sp2-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку, с постоянной решетки 0,246 нм. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жесткостью и
хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5 Ч 103 Вт · м−1 · К−1 соответственно). Важнейшей особенностью электронных свойств графена
является нулевая эффективная масса носителей, как электронов, так и
дырок, а также нулевая ширина запрещенной зоны. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности как будущую основу наноэлектроники и возможную
замену кремния в интегральных микросхемах.
В журнале Nature появилось несколько статей ученых из Манчестерского университета Великобритании и их коллег из Германии и
Голландии, посвященных очередному прорыву в исследованиях тончайших углеродных материалов – графенов. Неформальные лидеры
этого интернационального научного коллектива, специалисты Группы
мезоскопной физики (автономного подразделения Манчестерского
университета) Андре (Андрей) Гейм и Костя Новосёлов – наши экссоотечественники. Полученные Геймом, Новоселовым и их коллегами
стабильные углеродные наноматериалы толщиной всего в один атом
углерода (порядка 0,1 нм) могут стать основой будущей микроэлектроники, сменив современные кремниевые технологии.
Экспериментальное открытие графена в 2004 г. все той же группой Гейма – Новоселова стало важнейшим звеном в цепочке исследо111

ваний углеродных структур, начало которым было положено в 1985 г.,
когда ученым удалось обнаружить принципиально новые углеродные
соединения – фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Их существование предсказали А. А. Бочвар и
Е. Н. Гальперин в 1973 г. Открывшие фуллерены британец Гарольд
Крото и американцы Роберт Керл и Ричард Смолли в 1996 г. получили
Нобелевскую премию по химии. Название фуллерены получили от
имени известного американского архитектора Букминстера Фуллера,
использовавшего правильные пяти- и шестиугольники в сооружении
куполов и сферических конструкций. К слову сказать, Гейм после
эмиграции долгое время работал в голландском Университете Неймегена и до того, как всерьез увлекся графеновыми исследованиями и
переехал в Великобританию, успел в 2000 г. стать лауреатом Шнобелевской премии в области физики за «использование магнитов для
подвешивания (левитации) лягушки» (такова официальная формулировка создателей альтернативной научной премии, присудивших ему
эту шуточную награду).
В начале 2010 г. нами в одной из книг было написано: «Оценить
шансы Гейма стать обладателем истинной Нобелевской премии пока
довольно трудно, но почти наверняка можно утверждать, что они отнюдь не равны нулю» [13]. В 2010 г. А. Гейму и К. Новоселову за получение графена была присуждена Нобелевская премия по физике.

***
Андрей Константинович Гейм (нидерл. Andre
Geim; 21 октября 1958 г., Сочи) – советский и нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 г. (совместно с Константином Новоселовым),
член Лондонского королевского общества (с 2007), известный в первую очередь как один из первооткрывателей
графена.
В 1964 г. семья Гейма переехала в Нальчик. Отец,
Константин Алексеевич Гейм (1910–1998), с 1964 г. работал главным инженером Нальчикского электровакуумного завода; мать, Нина Николаевна Байер (род. 1927),
работала главным технологом там же.
В 1975 г. Андрей Гейм окончил с золотой медалью
среднюю школу № 3 г. Нальчика и пытался поступить в МИФИ, но неудачно
(препятствием явилось немецкое происхождение абитуриента). Поработав 8
месяцев на Нальчикском электровакуумном заводе, в 1976 г. поступил в Московский физико-технический институт. До 1982 г. обучался на факультете общей
и прикладной физики, окончил с отличием («четверка» в дипломе только по
политэкономии социализма) и поступил в аспирантуру. В 1987 г. получил степень кандидата физико-математических наук в Институте физики твердого тела

112

РАН. Работал научным сотрудником в ИФТТ АН СССР и в Институте проблем
технологии микроэлектроники АН СССР.
В 1990 г. получил стипендию Английского королевского общества и уехал
из Советского Союза. Работал в Ноттингемском университете, университете
Бата, а также недолго в Копенгагенском университете, перед тем как стал доцентом университета Неймегена, а с 2001 г. – Манчестерского университета. В
настоящее время – руководитель Манчестерского центра по «мезонауке и нанотехнологиям», а также глава отдела физики конденсированного состояния.
Почетный доктор Делфтского технического университета, Швейцарской
высшей технической школы Цюриха и Антверпенского университета. Имеет
звание «профессор Лэнгуорти» Манчестерского университета (англ. Langworthy
Professor, среди удостоенных этого звания были Эрнест Резерфорд, Лоурэнс
Брэгг и Патрик Блэкетт). В 2008 г. получил предложение возглавить Институт
Макса Планка в Германии, но ответил отказом.
Подданный Королевства Нидерландов. Супруга – Ирина Григорьева (выпускница Московского института стали и сплавов), работала, как и Гейм, в ИФТТ
АН СССР, в настоящее время работает вместе с мужем в лаборатории Манчестерского университета.
После присуждения Гейму Нобелевской премии было объявлено о намерении пригласить его работать в Сколково. Гейм ответил категорическим отказом, добавив, что не имеет российского гражданства и чувствует себя в Великобритании комфортно, выразив скептическое отношение к проекту российского
правительства создать в стране аналог Кремниевой долины.
Среди научных достижений Гейма можно отметить создание биомиметического адгезива (клея), позднее ставшего известным как gecko tape.

Рис. 2.8. Левитирующая лягушка
в эксперименте А. Гейма и М. Бери
Также широко известен эксперимент с диамагнитной левитацией, в том
числе, со знаменитой «летающей лягушкой» (рис. 2.8), за который Гейм вместе
с известным математиком и теоретиком сэром Майклом Берри из университета
Бристоля получил в 2000 г. Шнобелевскую премию.
В 2004 г. Андрей Гейм совместно со своим учеником Константином Новоселовым изобрел технологию получения графена – нового материала, представляющего собой одноатомный слой углерода. Как выяснилось в ходе дальнейших экспериментов, графен обладает рядом уникальных свойств: он обладает повышенной прочностью, проводит электричество так же хорошо, как медь,
превосходит все известные материалы по теплопроводности, прозрачен для
света, но при этом достаточно плотен, чтобы не пропустить даже молекулы
гелия – самые мелкие из известных молекул. Все это делает его перспективным
материалом для ряда приложений, таких как создание сенсорных экранов, световых панелей и, возможно, солнечных батарей.

113

За это открытие Институт физики (Великобритания) в 2007 г. наградил
Гейма медалью Мотта. Он также получил престижную премию «Еврофизика»
(совместно с Константином Новоселовым). В 2010 г. изобретение графена было
также отмечено Нобелевской премией по физике, которую Гейм также разделил
с Новоселовым.
Андрей Гейм увлекается горным туризмом. Его первым «пятитысячником»
стал Эльбрус, а любимая гора – Килиманджаро.
Ученый отличается своеобразным юмором. Одно из подтверждений тому – статья о диамагнитной левитации, в которой соавтором Гейма был указан
его любимый хомяк («хамстер») Тиша. Сам Гейм по этому поводу заявил, что
вклад хомяка в эксперимент с левитацией был более непосредственным. Впоследствии эта работа использовалась при получении степени доктора философии.

***
Константин Сергеевич Новоселов (род.
23 августа 1974 г., Нижний Тагил, СССР) – российский
и британский физик. Лауреат Нобелевской премии по
физике 2010 г. (совместно с Андреем Геймом), член Лондонского королевского общества (с 2011). Самый молодой из ныне живущих Нобелевских лауреатов во всех
областях (по состоянию на 2010 г.). По состоянию на март
2011 г. имеет более 20 тыс. цитирований своих работ.
Индекс Хирша – 38. Опубликовал более 60 научных статей, включая 9 статей в журналах Nature и Science.
Отец Новоселова – Сергей Викторович – инженер, мать Татьяна Глебовна – учитель английского
языка. Есть сестра Елена. Учился в школе № 39. Первый успех в учебе пришел уже в шестом классе – в
1986 г. он занял первое место в областной олимпиаде по физике, а на Всесоюзной олимпиаде школьников СССР вошел в десятку сильнейших. В 1988–1991 гг.
дополнительно обучался в Заочной физико-технической школе. В 1990 и 1991 гг.
участвовал во всесоюзных олимпиадах по физике и математике. В 1991 г. после
окончания школы поступил в Московский физико-технический институт. В 1997 г.
окончил с отличием факультет физической и квантовой электроники МФТИ по
специализации «наноэлектроника». После окончания института два года работал в Черноголовке в Институте проблем технологии микроэлектроники РАН
(ИПТМ РАН), был там аспирантом (руководитель – Юрий Дубровский).
В 1999 г. переехал в Нидерланды, где стал работать с Андреем Геймом в
Университете Неймегена. Вместе с ним в 2001 г. перебрался в Манчестерский
университет. В 2003 г. Новоселов защитил диссертацию на степень доктора
философии под руководством профессора Ян-Кееса Маана. Является профессором и членом Королевского научного общества Манчестерского университета.
Проживает в Манчестере, имеет двойное российско-британское гражданство. Супруга Ирина родом из Вологды, кандидат наук (защищала диссертацию
в Санкт-Петербурге), микробиолог, познакомились в Нидерландах. В 2009 г.
родились дочери-двойняшки – Вика и Софья.
В интервью после присуждения Нобелевской премии Новоселов так высказался о возможности работы в России: «Мне очень нравится, как устроена
работа в университете Манчестера, где я сейчас занимаюсь научной деятельностью, но, если бы мне сделали интересное предложение по работе в России,
возможно, я бы и вернулся. Хотя… нет, все-таки вряд ли. Дело в том, что орга-

114

низация работы в той же Англии намного проще и прозрачнее, чем в России
или, скажем, в Германии. Дело не только в деньгах».
Занимается исследованиями в области мезоскопической физики и нанотехнологий. В 2004 г. совместно со своим руководителем Андреем Геймом открыл новую аллотропную модификацию углерода – графен, который представляет собой одинарный слой атомов углерода.

Константин Новоселов в лаборатории
В 2007–2008 гг. получил ряд наград для молодых ученых, в частности в
2007 г. европейскую премию Николаса Курти за работы в сфере исследования
низких температур и магнитных полей. В 2008 г. Новоселов и Гейм получили
премию «Еврофизика» за «открытие графена и выяснение его замечательных
электронных свойств». В 2010 г. вместе со своим учителем Андреем Геймом
был удостоен Нобелевской премии по физике за «передовые опыты с двумерным материалом – графеном». Лауреатам удалось «продемонстрировать, что
монослойный углерод обладает исключительными свойствами, которые проистекают из удивительного мира квантовой физики», отметили в Нобелевском
комитете. Новоселов стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике
за последние 37 лет (с 1973 г.) и единственным на 2010 г. лауреатом во всех
областях, родившимся позднее 1961 г.
За выдающийся вклад в нидерландскую науку 24 ноября 2010 г. произведен в командоры ордена Нидерландского льва. 19 мая 2011 г. избран членом
Лондонского королевского общества.

2.4.1. Графен вместо кремния
В 1991 г. сотрудник японской корпорации NEC Сумио Идзима
выяснил, что атомы углерода могут образовывать не только сферические, но и полые цилиндрические структуры – длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Свежеиспеченные (в буквальном смысле этого слова: эксперименты проводились при температуре ~4 тыс. К) макромолекулы получили название углеродных нанотрубок. В дальнейшем учеными были получены нанотрубки разной геометрии – как однослойные, так и многослойные, напоминающие свиток.
Два года назад на свет появился еще один принципиально новый
класс наноматериалов – сверхтонкие углеродные пленки. Их первооткрыватели Андре Гейм и Константин Новоселов назвали эти особые
115

пленки графеновыми. Практически одновременно с группой Гейма –
Новоселова к схожим результатам пришли их американские коллеги
из Принстонского университета (лаборатория профессора Али Яздани). Графен, слой атомов углерода, соединенных в гексагональную
(шестигранную) кристаллическую решетку, по большому счету можно
считать двумерной копией трехмерного графита. Его можно представить как одну плоскость (единичный слой) графита, отделенную от
объемного кристалла. Или же, как еще часто говорят, графеновые
пленки – это как бы раскатанные в одной плоскости миллионы углеродных нанотрубок, сцепленных друг с другом на очень большом
«листе» атомарной толщины.
Интересно отметить, что теоретическое исследование графена
началось задолго до получения реальных образцов этого материала:
первые публикации о возможных физических свойствах двумерных
кристаллов появились в научной периодике еще в 30–40-е гг. ХХ в.
Однако вскоре теоретики пришли к выводу, что свободную идеальную
двумерную пленку получить невозможно из-за ее нестабильности при
сворачивании или скручивании, а тепловые флуктуации приводят к
плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.
Лишь после экспериментального открытия углеродных нанотрубок
ученые вновь увлеклись поисками двумерных углеродных наноструктур, благо теоретическая база для таких материалов в приложении к
углеродным нанотрубкам была к тому времени уже достаточно хорошо проработана. В целом нанотрубка – это тот же графен, только
скрученный в цилиндр. Поэтому при изучении узких полосок графена
можно наблюдать те же физические и химические свойства, что и у
углеродных нанотрубок.
Oдин из ведущих мировых специалистов по полупроводниковым
технологиям профессор Ноттингемского университета Лоуренс Ивз
высказал мнение, что открытие группы Гейма является одним из
наиболее ярких событий, произошедших в области физики твердого
тела за последнее десятилетие.

2.4.2. Графеновая бумага
Новый материал на основе углерода, разработанный американскими учеными и получивший название графеновой бумаги, может
оказаться не менее революционным изобретением. В работе, опубликованной в Nature, ученые из Северо-Западного университета в США
под руководством профессора Родни Руоффа (Rodney Ruoff) сообщили о синтезе нового материала на основе графена, который может
найти многочисленные применения. Ученым удалось получить так
116

называемую графеновую бумагу, состоящую из нескольких слоев
сшитых между собой листов оксида графена. У графена уникальные
оптические, электрические, термические и механические свойства.
Материалы на основе графена будут исключительно прочными и долговечными, уступая, возможно, лишь алмазу. Руофф и его коллеги
провели реакцию окисления графита. Полученный оксид при добавлении воды образует суспензию оксида графена. При последующем удалении воды простым фильтрованием слои оксида графена формируют
на фильтре диаметром в 5 дюймов (12,7 см) слой «бумаги» толщиной
в 100 микрон. Напомним, что и обычная целлюлозная бумага получается аналогичным способом. Интересно, что американские ученые
предложили и несколько способов регулировать свойства графеновой
бумаги. Основным инструментом здесь является степень окисления
графита. По мере увеличения степени окисления проводящий материал становится сначала полупроводником, а затем и диэлектриком. Это
открывает большие возможности для создания различных электротехнических материалов, в том числе наносимых на стеклянные поверхности. Можно будет использовать графеновую бумагу при создании
солнечных элементов и различных вариантов «электронной бумаги».
Среди других возможных применений Руофф называет, в первую очередь, различные композиционные материалы, применяемые в авиации,
автомобильной промышленности, строительстве.

2.4.3. Физические свойства графена
Сам графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных посредством sp2-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку, с постоянной решетки 0,246 нм. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода,
собранных в гексагональную решетку (рис. 2.9). Его можно представить
как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.
Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из него можно собрать
трехмерный кристалл графита. Графен является базой для построения
теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и, как было
показано в 1947 г. П. Воллесом, в зонной структуре графена также
отсутствует запрещенная зона, причем в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов
и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром
обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а
также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов
и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но
117

здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической
природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они
заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Рис. 2.9. Идеальная кристаллическая структура графена

Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей
энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в
отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

2.4.4. Получение графена
Несмотря на предсказанные специфические особенности графена, экспериментальные исследования до 2005 г. были невозможны,
поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, еще раньше было
доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную пленку
получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению
двумерного кристалла при любой конечной температуре.
Интерес к графену появился снова после открытия углеродных
нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развертки цилиндра. Поэтому теория для
графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.
Попытки получения графена, прикрепленного к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и
продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для
118

механического удаления слоев графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедренными (интеркалированный графит) в
межплоскостное пространство чужеродными атомами (для увеличения
расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.
В 2004 г. русскими учеными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной пленки
достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика
SiO2 по аналогии с тонкими пленками, выращенными с помощью
МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова – де
Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из пленок углерода с
атомарной толщиной.
Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, т. е.
теми материалами, которые представляются как слабосвязанные (по
сравнению с силами в плоскости) слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для
получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2,
Bi2Sr2CaCu2Ox.
Кусочки графена получают при механическом воздействии на
высокоориентированный пиролитический графит, или киш-графит
(рис. 2.10). Сначала тонкие слои графита помещают между липкими
лентами и отщепляют раз за разом тонкие слои графита, пока не будет
получен достаточно тонкий слой (среди многих пленок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими пленками графита и графена прижимают
к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить пленку
определенного размера и формы в фиксированных частях подложки
(горизонтальные размеры пленок составляют обычно около 10 мкм).
Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при
толщине диэлектрика 300 нм) пленки подготавливают для измерений.
С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину пленки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для
графена). Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму пленки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).
Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется,
и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их
превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под дей119

ствием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм.
Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

Рис. 2.10. Слои интеркалированного графита

В литературе описан также химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу. Следует упомянуть еще два
метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы
(англ. PECVD), рост при высоком давлении и температуре (англ.
HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для
получения пленок большой площади.
Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить
между электродами, то, как показано в работе, можно добиться того,
что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться
пленки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до
13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.
Существует также несколько сообщений, посвященных получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001).
Графитовая пленка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причем качество выращенной
пленки зависит от того, какая стабилизация у кристалла:
C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность – в первом случае качество пленок выше. Та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет боль120

ше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в
непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC–C
из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой пленки оказались эквивалентны
свойствам графена.

2.4.5. Дефекты
Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных
ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к
различного рода дефектам.
Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной
плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно
известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек
приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить
к образованию различных форм поверхности.

2.4.6. Проводимость
Теоретически показано, что основное ограничение на подвижность электронов и дырок в графене (на Si-подложке) возникает из-за
заряженных примесей в диэлектрике (SiO2), поэтому сейчас ведутся
работы по получению свободновисящих пленок графена, что должно
увеличить подвижность до 2 Ч 106 см2В−1c−1. В настоящее время максимальная достигнутая подвижность составляет 2 Ч 105 см2В−1c−1; она
была получена в образце, подвешенном над слоем диэлектрика на высоте 150 нм (часть диэлектрика была удалена с помощью жидкостного
травителя). Образец с толщиной в один атом поддерживался при помощи широких контактов. Для улучшения подвижности образец подвергался очистке от примесей на поверхности посредством пропускания тока, который нагревал весь образец до 900 К в высоком вакууме.
Идеальную двумерную пленку в свободном состоянии нельзя
получить из-за ее термодинамической нестабильности. Но если в
пленке будут дефекты или она будет деформирована в пространстве (в
третьем измерении), то такая «неидеальная» пленка может существовать без контакта с подложкой. В эксперименте с использованием
просвечивающего электронного микроскопа было показано, что свободные пленки графена существуют и образуют поверхность сложной
волнистой формы, с латеральными размерами пространственных неоднородностей около 5–10 нм и высотой 1 нм. В статье было показано,
что можно создать свободную от контакта с подложкой пленку, закрепленную с двух краев, образуя наноэлектромеханическую систему.
121

В данном случае подвешенный графен можно рассматривать как мембрану, изменение частоты механических колебаний которой предлагается использовать для детектирования массы, силы и заряда, т. е. в
качестве высокочувствительного сенсора.
Подложка кремния с диэлектриком, на котором покоится графен,
должна быть сильно легирована, чтобы ее можно было использовать в
качестве обратного затвора, при помощи которого можно управлять
концентрацией и даже изменять тип проводимости. Поскольку графен
является полуметаллом, то приложение положительного напряжения к
затвору приводит к электронной проводимости графена, и, напротив, –
если приложить отрицательное напряжение, то основными носителями станут дырки, поэтому, в принципе, нельзя обеднить полностью графен от носителей. Заметим, что если графит состоит из нескольких десятков слоев, то электрическое поле достаточно хорошо экранировано, как и
в металлах, огромным количеством носителей в полуметалле.
В идеальном случае, когда отсутствует легирование и затворное
напряжение равно нулю, не должно быть носителей тока, что, если
следовать наивным представлениям, должно приводить к отсутствию
проводимости. Но, как показывают эксперименты и теоретические
работы, вблизи дираковской точки или точки электронейтральности
для дираковских фермионов существует конечное значение проводимости, хотя величина минимальной проводимости зависит от метода расчета. Эта идеальная область не изучена просто потому, что нет достаточно
чистых образцов. В действительности все пленки графена соединены с
подложкой, и это приводит к неоднородностям, флуктуациям потенциала, что ведет к пространственной неоднородности типа проводимости
по образцу, поэтому даже в точке электронейтральности концентрация
носителей теоретически не меньше, чем 1012 см−2. Здесь проявляется
отличие от обычных систем с двумерным электронным или дырочным
газом, а именно отсутствует переход металл – диэлектрик.

2.4.7. Возможные применения графена
Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 г. группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантовоинтерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря
их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой
наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный
транзистор обладает большим током утечки, т. е. нельзя разделить два
состояния с закрытым и открытым каналом.
122

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещенной зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, т. е. не получается задать два состояния, пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее.
Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещенную зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбужденные носители давали малый вклад в проводимость). Один из
возможных способов – создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещенной зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ
соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше, чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) – 104 В · см−1 · с−1 – быстродействие такого
транзистора будет заметно выше. Несмотря на то что это устройство
уже способно работать как транзистор, затвор к нему еще не создан.
Другая область применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединенных к поверхности пленки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO,
H2O, NO2. Сенсор размером 1 мкм Ч 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы
могут выступать как доноры и акцепторы, что, в свою очередь, ведет к
изменению сопротивления графена. Теоретически исследовалось влияние различных примесей на проводимость графена. Было показано,
что молекула NO2 является хорошим акцептором из-за своих парамагнитных свойств, а диамагнитная молекула N2O4 создает уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы
которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают
более сильными легирующими свойствами.
Еще одна перспективная область применения графена – его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоемкость
32 Вт · ч/кг, сравнимую с таковой для cвинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт · ч/кг).

123

2.4.8. Графан
Международной группе исследователей удалось получить из
графена и водорода новый материал графан. Ученые из университета
Манчестера (Великобритания) под руководством Константина Новоселова и Андре Гейма в сотрудничестве с Институтом проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Черноголовка,
Московская область), Институтом молекулярных материалов (Нидерланды) и Кембриджским университетом (Великобритания) обнаружили, что графен, из которого был получен графан, легко вступает в химические реакции с другими веществами. Это позволяет менять его
свойства в необычайно широком диапазоне. Об этом сообщается в
пресс-релизе на сайте университета Манчестера, сотрудники которого
принимали участие в работе. Статья ученых появилась в журнале
Science. По словам исследователей, новое открытие может найти применение при производстве электроники, а также помочь в развитии
водородной энергетики.
О том, что графен является химически активным (в отличие от
родственного материала графита), ученым было известно достаточно
давно. Чтобы получить графан, исследователи помещали графен в
газообразный водород и пропускали через газ электрический ток. В
результате молекулы водорода распадались на атомы, которые присоединялись к исходному материалу.
Теоретически существование графана было предсказано группой
американских ученых в 2006 г. на основании компьютерного моделирования. На сайте arXiv.org доступен препринт их статьи, которая
позже появилась в журнале Physical Review B.
В отличие от графена, который является проводником электрического тока, графан представляет собой диэлектрик. По мнению исследователей, данное свойство нового материала потенциально может
быть использовано при производстве сверхминиатюрных транзисторов, поскольку позволяет решить одну из главных проблем развития
графеновой электроники – сложность создания проводящих контуров.
Добавление атомов водорода к графену позволит получать на нем регионы графана. Подобными регионами диэлектрика можно, например,
разделить лист исходного материала на множество проводящих полос.
Отметим, что ранее в качестве одного из вариантов решения проблемы получения проводящих контуров та же группа исследователей
предлагала физически нарезать графен полосками толщиною в несколько нанометров и склеивать контуры из них.
Кроме этого, новый материал может найти применение в водородной энергетике. В частности, международная группа исследовате124

лей установила, что нагрев графана приводит к высвобождению атомарного водорода. Напомним, что одной из основных проблем водородной энергетики является создание эффективных способов хранения
водорода. Одним из наиболее перспективных направлений исследований является получение материалов, способных хранить «топливо» в
связанном состоянии, в данном случае в виде графана. Физики показали
(пока, правда, в теории), что легированный графан может переходить в
сверхпроводящее состояние при относительно высоких температурах.
В рамках исследования ученые провели компьютерное моделирование поведения легированного графана, т. е. графана, в который
определенным образом были добавлены примеси для изменения магнитных и электрических свойств материала. В результате ученым удалось определить, что подобный материал перейдет в состояние сверхпроводимости при температуре 90 К.
По словам физиков, одной из причин сверхпроводимости при
столь высокой температуре является «почти двумерная» структура
графана. Данный материал получается из графена добавлением атомов
водорода, которые присоединяются к атомам углерода поочередно:
один сверху «листа», другой снизу, немного деформируя плоскую
структуру исходного материала. Кроме этого, не последнюю роль играют сильные связи между атомами углерода.
Сами ученые отмечают, что их работа носит пока теоретический
характер. Дело в том, что графан был впервые получен только в марте
2009 г., поэтому практическая проверка полученных результатов остается делом будущего. При этом условия, существующие в графане в
теории, могут наблюдаться, по словам физиков, в легированных алмазных наноштырях. Получение последних, в свою очередь, является
относительно несложным делом.
Главным препятствием для более широкого использования
сверхпроводников является необходимость их охлаждения до сверхнизких температур. Если предсказания физиков окажутся верны, то
для работы графанового сверхпроводника будет достаточно холодильника, работающего на азоте.

125

Глава 3

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Вычислительная техника является важнейшим компонентом
процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счетные палочки,
которые и сегодня используются в начальных классах многих школ
для обучения счету. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например такими как финикийские глиняные фигурки,
также предназначаемые для наглядного представления количества
считаемых предметов, однако для удобства помещаемые при этом в
специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.
Постепенно из простейших приспособлений для счета рождались
все более и более сложные устройства: абак, логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. Несмотря на
простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счет даже быстрее, чем
нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно,
сами по себе производительность и скорость счета современных вычислительных устройств давно уже превосходят возможности самого
выдающегося расчетчика-человека.

3.1. Ранние приспособления
и устройства для счета
Человечество научилось пользоваться простейшими счетными
приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых
в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчета количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы, которые стали, таким образом,
одним из первых устройств для количественного определения массы.
Принцип эквивалентности широко использовался и в другом,
знакомом для многих, простейшем счетном устройстве – абаке, или
126

счетах. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента.
Сравнительно сложным приспособлением для счета могли быть
четки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на
счетах отсчитывал на зернах четок число произнесенных молитв, а
при проходе полного круга четок передвигал на отдельном хвостике
особые зерна-счетчики, означающие число отсчитанных кругов.
Звездочки и шестеренки были сердцем механических устройств
для счета. С изобретением зубчатых колес появились и гораздо более
сложные устройства выполнения расчетов. Антикитерский механизм,
обнаруженный в начале XX в., который был найден на месте крушения античного судна, затонувшего примерно в 65 (по другим источникам в 80 или даже 87) г. до нашей эры, даже умел моделировать движение планет. Предположительно его использовали для календарных
вычислений в религиозных целях, предсказания солнечных и лунных
затмений, определения времени посева и сбора урожая и т. п. Вычисления выполнялись за счет соединения более 30 бронзовых колес и
нескольких циферблатов; для вычисления лунных фаз использовалась
дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI в. Впрочем, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось
около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать
похожие по сложности механизмы.
«Считающие часы» Вильгельма Шикарда
В 1623 г. Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» –
первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо
потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звездочек и шестеренок. Практическое использование это изобретение нашло в руках друга Шикарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.
За этим последовали машины Блеза Паскаля («Паскалина»,
1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница. Примерно в 1820 г. Чарльз
Томас (Charles Xavier Thomas) создал первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор – арифмометр Томаса, который
мог складывать, вычитать, умножать и делить. Его устройство было
основано на работе Лейбница. Подобные механические калькуляторы,
считающие десятичные числа, использовались до 1970-х гг.
Лейбниц также описал двоичную систему счисления, центральный ингредиент всех современных компьютеров. Однако вплоть до
1940-х гг. многие последующие разработки, включая машины Чарльза
127

Бэббиджа и даже ЭНИАК 1945 г., были основаны на более сложной в
реализации десятичной системе.
Джон Непер заметил, что умножение и деление чисел может
быть выполнено сложением и вычитанием логарифмов этих чисел.
Действительные числа могут быть представлены интервалами длины
на линейке, и это легло в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление
намного быстрее. Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и научных работников вплоть до появления карманных калькуляторов. Инженеры программы «Аполлон»
отправили человека на Луну, выполнив на логарифмических линейках
все вычисления, многие из которых требовали точности в 3–4 знака.
Для составления первых логарифмических таблиц Неперу понадобилось выполнить множество операций умножения, зато его таблицы в последующем облегчили проведение любых вычислений и расчетов во всем мире.

3.2. Начало эры программирования
Появление перфокарт
В 1801 г. Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Серия карт могла
быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике
станка. Это было важной вехой в истории программирования.
В 1838 г. Чарльз Бэббидж перешел от разработки «разностной
машины» к проектированию более сложной аналитической машины,
принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара.
В 1890 г. Бюро переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки, разработанные Германом Холлеритом, чтобы
обработать поток данных десятилетней переписи, переданный ей под
мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счете стала ядром корпорации IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки
данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 г. технология IBM стала вездесущей в
промышленности и правительстве. Предупреждение, напечатанное на
большинстве карт, «не сворачивать, не скручивать и не рвать», стало
девизом послевоенной эры.
Во многих компьютерных решениях перфокарты использовались
до (и после) конца 1970-х. Например, студенты инженерных и научных специальностей во многих университетах во всем мире могли
128

отправить их программные команды в локальный компьютерный
центр в форме набора карт, одна карта на программную строку, а затем должны были ждать очереди для обработки, компиляции и выполнения программы. Впоследствии после распечатки любых результатов, отмеченных идентификатором заявителя, они помещались в
выпускной лоток вне компьютерного центра. Во многих случаях эти
результаты включали в себя исключительно распечатку сообщения об
ошибке в синтаксисе программы, требуя другого цикла: «редактирование – компиляция – исполнение».

Рис. 3.1. Перфокарточная система музыкального автомата

На рис. 3.1 представлена перфокарточная система музыкального
автомата.
1835–1900-е: первые программируемые машины
Определяющая особенность «универсального компьютера» – это
программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую
другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохраненной последовательности инструкций.
В 1835 г. Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину.
Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также
парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых
идей было использование шестерней для выполнения математических
функций (рис. 3.2).
129

Рис. 3.2. Часть разностной машины Бэббиджа, собранная после его смерти
сыном из частей, найденных в лаборатории

Его первоначальной идеей было использование перфокарт для
машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с
большой точностью (т. е. для специализированной машины). В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения – его
«аналитической машины».
Хотя планы были озвучены и проект, по всей видимости, был реален или, по крайней мере, проверяем, при создании машины возникли определенные трудности. Бэббидж был человеком, с которым
трудно было работать, он спорил с каждым, кто не отдавал дань уважения его идеям. Все части машины должны были создаваться вручную. Небольшие ошибки в каждой детали, для машины, состоящей из
тысяч деталей, могли вылиться в значительные отклонения, поэтому
при создании деталей требовалась точность, необычная для того времени. В результате проект захлебнулся в разногласиях с исполнителем, создающим детали, и завершился с прекращением государственного финансирования.
Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, перевела и дополнила комментариями труд Sketch of the Analytical Engine. Ее имя часто ассоциируют с именем Бэббиджа. Утверждается также, что она является первым
программистом, хотя это утверждение и значение ее вклада в вычислительную математику некоторыми оспаривается.
130

Реконструкция 2-го варианта «Разностной машины» – раннего,
более ограниченного проекта, действует в Лондонском музее науки с
1991 г. Она работает именно так, как было спроектировано Бэббиджем, лишь с небольшими тривиальными изменениями, и это доказывает, что Бэббидж в теории был прав. Для создания необходимых частей музей применил машины с компьютерным управлением, придерживаясь допусков, которые мог достичь слесарь того времени. Ранее
полагали, что технология того времени не позволяла создать детали с
требуемой точностью, но это предположение оказалось неверным.
Неудача Бэббиджа при конструировании машины в основном приписывается трудностям, не только политическим и финансовым, но также и его желанию создать очень изощренный и сложный компьютер.
По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах,
шел П. Люгет (Percy Ludgate), бухгалтер из Дублина (Ирландия). Он
независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в 1909 г.
1930–1960-е: настольные калькуляторы
К 1900 г. ранние механические калькуляторы, кассовые аппараты
и счетные машины были перепроектированы с использованием электрических двигателей с представлением положения переменной как
позиции шестерни. С 1930-х такие компании, как Friden, Marchant и
Monro, начали выпускать настольные механические калькуляторы,
которые могли складывать, вычитать, умножать и делить. Словом
computer (буквально – «вычислитель») называлась должность – это
были люди, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений. В ходе Манхэттенского проекта будущий
Нобелевский лауреат Ричард Фейнман был управляющим целой команды «вычислителей», многие из которых были женщинамиматематиками, обрабатывающими дифференциальные уравнения, которые решались для военных нужд. А уже после окончания войны для
реализации проекта водородной бомбы Станислав Мартин Улам был
вынужден заниматься работой по переводу математических выражений в разрешимые приближения. (Аналогичная ситуация имела место
и в отечественном атомном и термоядерном проектах. Однако было ли
создание бригад вычислителей практически полностью из женщин под
руководством высококвалифицированного ученого основано только
на данных разведки или для этого были другие соображения – определенно утверждать не можем. – Прим. Н. Д.)
Первым полностью электронным настольным калькулятором
был британский ANITA Мк.VII, который использовал дисплей на
трубках Nixie и 177 миниатюрных тиратроновых трубок. В июне
131

1963 г. Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5дюймовой электронно-лучевой трубке и представлялся фирмой RPN
на рынке калькуляторов по цене 2,2 тыс. долл. В модель EC 132 были
добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 г. Wang Laboratories произвел LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который использовал дисплей
на ЭЛТ Nixie и мог вычислять логарифмы.
Предвоенные годы ознаменовались появлением аналоговых вычислителей, а также первых электромеханических цифровых компьютеров.
Z-серия Конрада
В 1936 г., работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад
Цузе (Zuse) начал работу над своим первым вычислителем серии Z,
имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная в основном на механической основе, но уже на базе
двоичной логики, модель Z1 (рис. 3.3), завершенная в 1938 г., так и не
заработала надежно из-за недостаточной точности выполнения составных частей.

Рис. 3.3. Репродукция компьютера Цузе Z1 в Музее техники, Берлин

Следующая машина Цузе – Z3 была завершена в 1941 г. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, та132

ких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную сделала машины Цузе более
простыми, а значит, более надежными. Считается, что это одна из
причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.
Программы для Z3 хранились на перфорированной пленке.
Условные переходы отсутствовали, но позже в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером (если
игнорировать ограничения на размер физической памяти). В двух патентах 1936 г. Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут
храниться в той же памяти, что и данные – предугадав тем самым то,
что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 г. в британском EDSAC.
Британский «Колосс»
Во время Второй мировой войны Великобритания достигла
определенных успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут
анализу с помощью электромеханических машин, которые носили
название «бомбы». Такая «бомба», разработанная Аланом Тьюрингом
(Alan Turing) и Гордоном Уэлшманом (Gordon Welchman), исключала
ряд вариантов путем логического вывода, реализованного электрически. Большинство вариантов приводило к противоречию, несколько
оставшихся уже можно было протестировать вручную.
Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы». Машина Lorenz SZ 40/42
использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 г. Для взлома
этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс»
(Colossus). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max
Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11
месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др.
«Колосс» (рис. 3.4) стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нем использовалось большое количество
электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты.
«Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций
булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо
Colossus Mk I, было собрано еще девять моделей Mk II. Информация о
существовании этой машины держалась в секрете до 1970-х гг. Уинстон
Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.
133

Рис. 3.4. Британский Colossus

Наиболее значительный вклад в создание основ вычислительной
техники внесли три совершенно разных по стилю жизни человека:
Норберт Винер, Алан Тьюринг и Джон фон Нейман.

***
Норберт Винер (26 ноября 1894 – 18 марта 1964)
завершил свой первый фундаментальный труд «Кибернетика» в возрасте 54 лет. Подобная выдержка замечательным образом характеризует вечно сомневающегося во
всем большого ученого. Думаю, читатель сумеет по достоинству оценить степень «выстраданности» материалов, преподнесенных в самой известной книге Винера, если вспомнит
первые главы биографии «отца кибернетики». Наследие
Винера незримо работает на каждого, кто садится за компьютер. АО «Бог и Голем» – на подъеме, и творение пока не
бунтует против своего создателя и партнера.
Миллионам программистов и сотням миллионов
пользователей Интернета известно слово «кибернетика»,
и они что-то слышали о Норберте Винере: «то ли он компьютер изобрел, то ли Сеть придумал – короче, один из предшественников Билла Гейтса» [23]. На самом деле, вычислительные машины изобрели без Винера,
Интернет появился, когда его уже не было на свете, а что касается магнатов
бизнеса, то винеровские книги полны саркастических замечаний в их адрес.
Несомненно, вселенской славе Норберта Винера немало способствовали
его наружность и личный стиль.
Про президента Гардинга говорили, что родная Республиканская партия
выдвинула столь непримечательную персону за одно то, что он обладал внешностью президента Соединенных Штатов. Изобретатель кибернетики был при-

134

мечателен очень многим, но то, что он вдобавок ко всему этому обладал еще и
внешностью великого ученого, отрицать не рискнет никто.
Винер идеально попадал в образ классического профессора из анекдота:
бородка клинышком, очки с толстыми стеклами, невероятная неуклюжесть и
неловкость, путаная и бессвязная речь. Отпечаток некоторых из этих качеств
лежит даже на его трудах, включая и легендарную книгу «Кибернетика, или
Управление и связь в животном и машине» (1948).
Лекции он якобы читал так. Подходил к доске, что-то писал на ней мелом
и тут же, недовольно бормоча под нос: «Неверно, неверно», стирал. Потом писал и стирал снова и снова. Через два часа произносил: «Теперь, пожалуй,
все», и, не глядя на слушателей, выбегал из аудитории.
А вот самый расхожий из винеровских анекдотов. На дорожке между административным корпусом и столовой Винер встречает молодого сотрудника.
Слово за слово, беседа затянулась. В конце концов Винер спрашивает: «Послушайте, а куда я шел – из столовой или в сторону столовой? В сторону столовой? А, так я, оказывается, еще не обедал!»
Многочисленность баек такого рода – верный признак популярности их героя среди учеников и коллег. Несмотря на чудаковатый, а попросту – несносный
нрав, в котором сам Винер охотно и даже с некоторым самодовольством признавался, число специалистов из разных областей знания, с которыми он не
только дружил, но и выполнял совместные работы, впечатляет.
Еще больше впечатляет география этих совместных трудов. Норберт
Винер подолгу работал в Англии и в Германии, в Китае и в Мексике. К началу
20-х гг., совсем еще молоденьким доктором наук, абсолютно неизвестным широкой публике, он был уже своим человеком в главных научных центрах Европы –
ничуть не меньше, чем в родном Массачусетском технологическом институте.
Винер был учеником и другом британского философа Бертрана Рассела и
создателя математического аппарата теории относительности Давида Гильберта, он близко сотрудничал с корифеем квантовой механики Максом Борном и
мексиканским кардиологом Артуро Розенблютом. Легендарный в Америке Вэнивар Буш, строитель мостов между наукой, большим бизнесом и государством,
один из отцов американского ВПК, конструктор и организатор производства
быстродействующих вычислительных машин, тоже еще с 20-х гг. был приятелем
и покровителем Норберта Винера.
Позднее, уже после Второй мировой войны, когда Винер решил сформулировать принципы кибернетики (в приблизительном переводе с греческого:
навигация, управление) – научной дисциплины совсем новой и ни на какую другую в отдельности не похожей, то глубокое знакомство с самыми разными сферами знаний оказало ему неоценимую услугу.
Настолько же неоценимой была и услуга мирового научного сообщества.
Оно давно знало Винера, уважало его, и странноватый математический трактат
с амбициозными экскурсами в философию, биологию и социологию не показался коллегам выходкой дилетанта и не был проигнорирован, что вполне могло бы
случиться, окажись его автором человек со стороны.
Дружное одобрение авторитетных ученых сразу же привлекло к «Кибернетике» внимание широких масс научной молодежи и почти сразу же – просто
широких масс. Разумеется, рядовые люди таких книг не читают. Общественное
мнение откликается на интеллектуальные озарения знатоков лишь тогда, когда
готово услышать от них некие важные для себя вещи.
На рубеже 50-х гг. прошлого века такая готовность была налицо. Притом
Винер сумел не только вызвать к себе общественный интерес, но и надолго
удержаться в его фокусе. Корневая причина того, что его мысли так пришлись ко
времени, не только в том, что он был ярким и успешным ученым, весьма цени-

135

мым людьми своего круга, но также и в том, что по рождению и воспитанию Норберт
Винер не был и не мог быть человеком, сосредоточенным только на науке.
Примерно так («Экс-чудо», в смысле: бывший вундеркинд) называется один
из томов винеровских мемуаров. Интеллектуальная жизнь чрезвычайно высокого
накала была обеспечена ему на самом старте биографии. И даже еще раньше.
В конце позапрошлого века состоятельная еврейская семья, в которой
ему суждено было родиться, переселилась из г. Белостока (Российская империя) в Соединенные Штаты. Ее глава, весьма известный уже филолог Лео
Винер, будущий отец Норберта, стал профессором на кафедре славянских языков Гарвардского университета. Родившийся уже на новой родине в 1894 г.,
Норберт Винер, кажется, толком не говорил по-русски, хотя его отец, свободно владевший несколькими десятками языков, помимо прочих своих трудов, перевел с
русского на английский двадцатичетырехтомное собрание сочинений Льва Толстого.
Норберта ждала малоприятная судьба вундеркинда. Буквально с колыбели его обучали чтению, прививали вкус к знаниям и требовали невероятных
успехов. Вкус привили, и успехи были очевидны, но расплачиваться за них пришлось одиночеством: он учился в школе второй ступени – ребенком среди подростков, потом в университете – подростком среди взрослых. В 18 лет Винер
защитил докторскую диссертацию в Гарварде.
Любопытно, что переход к размеренной профессиональной карьере наш
герой совершил лишь семь лет спустя после этого знаменательного достижения, когда в 1919 г. устроился на кафедру математики Массачусетского технологического института, где (с перерывами на многочисленные зарубежные поездки) проработал всю оставшуюся жизнь, немало способствуя превращению довольно скромного поначалу высшего учебного заведения в гордость Америки и
кузницу нобелевских лауреатов.
А между 1912 и 1919 г. Норберт Винер, как он потом выразился, «вкусил
радость свободного труда». Он позанимался философией науки у Рассела в
Кембридже, математикой – у Гильберта в Геттингене, с любопытством понаблюдал за работой Резерфорда, основателя ядерной физики. Затем вернулся
на родину и неохотно провел недолгое время в элитном Колумбийском университете, показавшемся ему после Европы весьма провинциальным («бесконечные претензии, которые я предъявлял всем и каждому по поводу того, что со
мной недостаточно считаются, и неумение играть в бридж сделали меня притчей во языцех всего общежития») [23].
Потом он несколько раз пробовал себя как преподаватель, работал на заводах «Дженерал электрик», немножко послужил в армии Соединенных Штатов
(«необходимость жить в бараках приводила меня в отчаяние»), прочувствовал
даже вкус журналистского куска хлеба («несколько месяцев перебивался литературной поденщиной для газет») и только после этого стал тем профессором
Винером из МТИ, в качестве которого и вошел в историю [23].
Дарвинизм, захвативший его воображение еще в раннем детстве, и бульварная литература ужасов, которой он увлекался подростком, философские
аспекты теории относительности в рафинированном изложении Бертрана Рассела и
тонкости составления таблиц стрельб, освоенные на артиллерийском полигоне,
математические озарения, посещавшие его в обществе геттингенских светил, и
киношки с немыми фильмами, где он отдыхал душой от общества коллег, играющих
в бридж, – все это со временем пошло в дело, стало материалом, из которого
Винер потом вылепил «Кибернетику» и книги, ставшие ее продолжением.
Сами по себе счетные машины не были ни новинкой, ни экзотикой даже на
заре научной карьеры Норберта Винера. Это и давным-давно вошедшие у нас в
быт счеты, и вошедший менее давно, но зато во всем мире, арифмометр. Не
говоря уже о не вошедшей в быт, но очень привлекавшей специалистов механи-

136

ческой вычислительной машине Чарлза Бэббеджа, английского изобретателясамородка ХIХ в.
Накануне Второй мировой войны в Америке уже появились быстродействующие (по тогдашним понятиям) цифровые вычислительные машины, использующие двоичную систему счисления.
Норберт Винер пришел к мысли, что именно такие машины – самый подходящий инструмент для быстрого решения дифференциальных уравнений в частных
производных, которыми он занимался. Именно к таким уравнениям сводятся очень
многие практические задачи. Первый шаг к кибернетике был сделан.
Вторым шагом стали изыскания Винера в военные годы. Он занимался разработкой систем управления стрельбой зенитной артиллерии, придумывая математические модели, которые выдавали прогноз будущего положения вражеского самолета, основываясь на наблюдениях за траекторией его полета в прошлом. Задачи
такого рода стали затем типовыми для вычислительной техники.
Решая с группой коллег и сотрудников проблемы прогнозирования и связи, Винер нашел, что создаваемая им машинная система моделирует (для отдельно взятых ситуаций, конечно) ход мыслей человека.
Третьим шагом на пути к кибернетике стали совещания, устроенные Винером в Принстоне, куда он созывал нейрофизиологов, связистов и специалистов по компьютерной технике. Он убедил собравшихся, что нервная система
человека является аналогом вычислительной машины и специалисты в этих
различных областях очень быстро начали говорить на одном языке.
Словарь этого языка – нарождающегося языка программистов – составился из терминов, позаимствованных из самых разных сфер знания. Именно тогда,
к примеру, сугубо «человеческое» слово «память» стало применяться к машинным ресурсам хранения информации.
И наконец, четвертым шагом стало написание «исчерпывающей книги»,
адресованной широкому кругу просвещенных людей. Эту мысль подал Винеру
один из его приятелей, когда он в 1946 г. по какому-то делу заехал в Париж.
Вскоре после этого книга была написана во время одной из длительных научных
командировок Винера в Мексику.
Ключевая мысль «Кибернетики»: возможность передавать и получать информацию вовсе не является привилегией людей. Поэтому нет непреодолимой границы
между естественным человеческим разумом и искусственным разумом машины.
«Когда «Кибернетика» стала научным бестселлером, все были поражены,
и я не меньше других» [23], – вспоминал потом Винер.
Вполне могло получиться так, что Норберт Винер не съездил бы вовремя
в Париж, не получил бы столь удачного совета и не написал бы «Кибернетику».
Сама по себе эта книга не содержала каких-либо новых открытий. Компьютерная техника стремительно развивалась без всяких подсказок. Что бы, собственно, изменилось, если бы и книга «Кибернетика» не вышла, и слова такого никто
бы не придумал?
Есть такое выражение: «Книга, сделавшая эпоху». И к нашему, и к большинству других подобных случаев куда лучше подходит – «эпоха, сделавшая
книгу». Эпоха буквально требовала «Кибернетику».
Немного спустя после Второй мировой войны – сначала по западную, а
еще через несколько лет и по восточную сторону железного занавеса – невероятно укрепилась вера в быстрое и простое решение всех человеческих проблем
через развитие науки и техники. Отнюдь не только коммунисты и социалисты
загорелись мыслью, что и само общество, и его развитие поддаются некоему
«научному» моделированию.
В один могучий порыв сливались и обожествление чудотворцевтехнократов, и взлет научно-фантастической беллетристики, и экзальтирован-

137

ный интерес к освоению космоса, и возвращение забытой с 20-х гг. XX в. романтической моды на великих ученых. В подобной атмосфере общественное мнение никак не могло пройти мимо такой жемчужины, как «искусственный разум».
Человек, который свел воедино разрозненные и не до конца осмысленные
даже специалистами находки, придумал эффектное загадочное название и,
поднявшись над научной прозой, провозгласил великую цель, просто не мог не
стать суперзвездой, фигурой общественного значения. По своим научным достижениям Винер был одним из нескольких (возможно, трех-четырех) ученых,
которые заслуживали занять это место. У одного из них, Андрея Колмогорова
(достижениям которого сам Винер вполне отдавал должное), возможности в
советской стране написать книгу с таким замахом, естественно, не было, даже
если предположить, что было желание. Что же касается остальных «конкурентов», то он выделялся куда более широким, чем они, социальным и гуманитарным кругозором и, разумеется, страстью популяризатора. Поэтому следует признать, что мировая слава Норберту Винеру досталась по заслугам.
Разумеется, в конце 40-х «Кибернетику» в СССР прокляли, а с Винера сорвали маску – не помним уж какую. Но всего десять лет спустя у нас была опубликована сначала эта книга, а затем и прочие винеровские сочинения.
А летом 1960-го заморского гостя с распростертыми объятиями принимала в редакции журнала «Вопросы философии» сборная команда ученых и партийных пропагандистов во главе с «философом», академиком Митиным, истинным бичом и гонителем генетики и всех прочих «лженаук».
Кажется, ни одна из научных дисциплин, предававшихся у нас анафеме,
не была реабилитирована с такой расторопностью.
Что и понятно. Редко какие идеи были так созвучны советскому общественному порыву 50–60-х гг., как идеи «искусственного разума», «автоматизированных систем управления» и т. п. Вера в науку, технику, социальное программирование с помощью «не знающих ошибок» машин охватила буквально
всех – от партократов хрущевского поколения до продвинутой молодежи.
Разница с Западом состояла в том, что эти идеи приобрели у нас еще более наивный и прямолинейный вид, чем у себя на родине. Выдвинулась целая
плеяда не ведающих сомнений интеллектуалов-энтузиастов (их западных собратьев озадаченный Винер называл «машинопоклонниками»).
«Творец и робот» – под таким целомудренным названием вышла в СССР
последняя книга Норберта Винера «Акционерное общество “Бог и Голем”»,
написанная в 1963 г. – меньше чем за год до его смерти (Голем – глиняный истукан, созданный и оживленный Львом Бен Бецалелем, придворным алхимиком
императора Рудольфа II).
В своем итоговом сочинении Винер уже не столько отстаивал идеи искусственного разума, сколько предупреждал о бедах, которые он может принести. Точнее, о бедах, которые способны принести упования на то, что этот разум решит те
человеческие проблемы, с которыми люди не справились самостоятельно.
«Как же нам быть, если мы передадим решение важнейших вопросов в
руки неумолимого чародея или, если угодно, неумолимой кибернетической машины, которой мы должны задавать вопросы правильно и, так сказать, наперед,
еще не разобравшись полностью в существе того процесса, который вырабатывает ответы?.. Нет, будущее оставляет мало надежд для тех, кто ожидает, что
наши новые механические рабы создадут для нас мир, в котором мы будем
освобождены от необходимости мыслить. Помочь они нам могут, но при условии, что наши честь и разум будут удовлетворять требованиям самой высокой
морали...» [23].
Принято говорить, что взгляды Норберта Винера были «эклектичны», т. е.
представляли некую случайную мешанину. Это не совсем так. Взгляды Винера –

138

это взгляды эпохи, освоенные и переосмысленные либерально мыслящим, критически настроенным и широко образованным человеком. Если там и есть мешанина, то это мешанина времени. Он отдавал дань модным идеям века, да и
сам оказался в числе их «авторов», но уж никогда не доводил их до абсурда.
Как и большинство американцев его круга, к тому же будучи обремененным воспоминаниями о детстве, проведенном в атмосфере отцовского диктата,
Винер обращался к услугам психоаналитиков-фрейдистов. И хотя получил некоторое облегчение, скептически отмечал, что ответы, которые они предлагали на
все общечеловеческие и на его личные вопросы, казались слишком бойкими и
приходились как-то уж очень кстати.
Несомненно, его увлекала драматическая философия экзистенциалистов,
очень популярных в левых интеллектуальных кругах на послевоенном Западе
(«я никогда не считал удовлетворенность и даже счастье самыми большими
человеческими ценностями» [23]). Но слишком уж упиваться беспросветностью
было не в его стиле: «Никакое поражение не может лишить нас успеха, заключающегося в том, что в течение некоторого времени мы пребывали в этом мире,
которому, кажется, нет до нас никакого дела» [23].
Не в его стиле было и упиваться оптимизмом. Он не раз предупреждал
«машинопоклонников», что моделировать с помощью машин экономические и социальные процессы – дело трудное и рискованное. Но все-таки саму мысль о таком
моделировании не отвергал – это было бы уж чересчур вопреки духу того времени.
Следуя духу времени, он уделил массу внимания теме, которая тогда всех
захватила, – перспективам бунта машин против людей. На рубеже 50–60-х было
принято считать, что вычислительные машины вот-вот превратятся в человекоподобных существ («роботов»), которые, конечно, немедленно придушат своих
создателей (идея, равно как и само название, восходит к пьесе Карела Чапека
«R. U. R.», написанной в 1920 г.).
Винер соглашался, что возможно и такое, но дальновидно добавлял, что
не менее реальная угроза – это ошибки самих людей при обращении с машинами, например постановка перед ними непосильных задач. Эту часть советов
отца кибернетики его последователи тогда проигнорировали.
Через девять лет после смерти Норберта Винера сторонники победившего в Чили военного режима начали свою экономическую реформу с того, что
вдребезги разбили только что смонтированную огромную вычислительную машину, с помощью которой экономисты-социалисты собирались планировать и
моделировать чилийскую экономику. Время кибернетических грез закончилось.
Каков же компьютерный мир после кибернетики? Хотя роботы в том виде,
в котором их ждали полвека назад, нынче встречаются в основном как детские
игрушки, а к моделированию экономики и социальной жизни сейчас подходят
куда осторожнее, чем 30–40 лет назад, но нынешний мир – подлинный мир компьютеров. Без них немыслимы ни техника, ни наука, ни новейшее искусство, ни
просто быт современного человека.
Интернет – это не столько диалог с неким искусственным разумом, сколько небывалое доселе средство коммуникации, вход в несметное множество
искусственных миров, сотворенных людьми с помощью компьютеров. Происходит не борьба людей и машин, о которой некогда с таким азартом рассуждали, а
объединение тех и других во всемирную суперсистему. Много ли в этом от Норберта Винера и от его кибернетики? Не столь уж мало.
Уже в конце 40-х, имея дело с машинами без экрана, клавиатуры и мыши,
участники организованного Винером семинара в МТИ пришли к чрезвычайно
перспективной мысли, что вычислительная машина – это не только инструмент
расчетов или прообраз искусственного разума, но и средство коммуникации.

139

Там же родилась идея интерактивности, без которой немыслим Интернет, – т. е. такого режима, в котором человек и компьютер находятся в состоянии постоянного обмена информацией. Для решения этой проблемы придумали
алфавитно-цифровую клавиатуру. То, что нынче самоочевидно, было тогда
невероятным прорывом вперед.
Среди тех, кто собирался в те дни в МТИ пообщаться с Винером и друг с
другом, были и будущие создатели первых проектов Сети, реализованных уже
после его смерти.
Винер – культовая фигура – понемногу забывается. Наследие Винераученого незримо работает на каждого, кто сегодня садится за компьютер. АО
«Бог и Голем» – на подъеме, и творение пока не бунтует против своего создателя и партнера.

***
Отец информатики и первый «хакер» Алан
Матисон Тьюринг родился 23 июня 1912 г. в одной
из лондонских гостиниц. Сегодня на ней висит мемориальная доска: «Здесь родился Алан Тьюринг,
пионер кибернетики и взломщик кодов». Спустя год
после родов мать Тьюринга вернулась в Индию,
оставив Алана на попечение друга семьи, отставного полковника. Позже мальчика отдали в частный
интернат. С раннего детства он увлекался наукой (в
основном химией, физикой и математикой). В
1935 г., будучи студентом Кембриджского королевского колледжа, Алан Тьюринг начинает вплотную
заниматься созданием «мыслящей машины» – теоретического прообраза современного компьютера. Главную роль в развитии
кибернетики и теории ЭВМ обычно отводят американскому профессору Норберту Винеру (Wiener). Значение же вклада Алана Тьюринга принижается, что обусловлено его скандальным концом.
В 1939 г. британское военное ведомство поставило перед Тьюрингом задачу разгадать секрет «Энигмы» – специального устройства, использовавшегося для шифровки радиограмм в германском военно-морском флоте и в
«люфтваффе». Британская разведка раздобыла это устройство, но расшифровывать перехваченные радиограммы немцев не удавалось. Тьюрингу была
предоставлена свобода действий. Он пригласил в свой отдел «Британской школы кодов и шифров» нескольких друзей-шахматистов. У него работал, например, Гарри Голомбек, ставший впоследствии известным судьей ФИДЕ и судивший финальный матч на звание чемпиона мира между Фишером и Спасским.
27-летнего Тьюринга и его коллег охватил настоящий спортивный азарт.
Немцы считали «Энигму» неприступной. Сложность дешифровки усугублялась
тем, что в закодированном слове получалось больше букв, чем в оригинале.
Тем не менее, Тьюринг уже через полгода разработал устройство, названное им
«Бомбой», которое позволяло читать практически все сообщения «люфтваффе». А спустя еще год был «взломан» и более сложный вариант «Энигмы»,
использовавшийся нацистскими подводниками. Это во многом предопределило
успех британского флота.
Заслуги Алана Тьюринга были по достоинству оценены: после разгрома
Германии он получил орден, был включен в научную группу, занимавшуюся
созданием британской электронно-вычислительной машины. В 1951 г. в Манчестере начал работать один из первых в мире компьютеров. Тьюринг занимался

140

разработкой программного обеспечения для него. Тогда он написал и первую
шахматную программу для ЭВМ. Это был только алгоритм, потому что компьютера, способного выполнить эту программу, еще не существовало.
Шахматы были не единственным хобби этого человека. Он занимался бегом, кроссом по пересеченной местности. В 1947 г. на Всеанглийском марафоне
занял почетное пятое место. Кроме работы в университете, Тьюринг продолжал
сотрудничать и с Департаментом кодов. Только теперь в центре его внимания
были уже шифры советских резидентов в Англии. В 1951 г. он был избран членом королевского научного общества.
Жизнь Тьюринга сломал случай… Все рухнуло буквально в один день. В
1952 г. квартиру Тьюринга обокрали. В ходе расследования выяснилось, что это
сделал один из друзей его сексуального партнера. Ученый никогда, в общем-то,
не скрывал своей нетрадиционной сексуальной ориентации, но и вызывающе
себя не вел. Однако скандал с кражей получил широкую огласку, и в результате
обвинение в «непристойном поведении» было выдвинуто против самого
Тьюринга. 31 марта 1953 г. состоялся суд. Приговор предполагал выбор: либо
тюремное заключение, либо инъекции женского гормона эстрогена (способ химической кастрации). Он выбрал последнее. Из Департамента кодов его уволили. Лишили допуска к секретным материалам. Правда, коллектив преподавателей Манчестерского университета взял Тьюринга на поруки, но он и в университете почти не появлялся.
8 июня 1954 г. Алан Мэтисон Тьюринг был найден мертвым в своем доме.
Он покончил жизнь самоубийством, отравившись цианистым калием. Раствор
цианида Тьюринг впрыснул в яблоко. Надкусив его, он скончался. Говорят,
именно этот плод, найденный затем на ночном столике Алана, и стал эмблемой
знаменитой компьютерной фирмы «Эппл». Впрочем, яблоко – это еще и библейский символ познания и греха...

***
Джон фон Нейман (28 декабря 1903 – 8 февраля 1957) – американский математик. Внес большой
вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их
применения.
Родом из Венгрии, сын преуспевающего будапештского банкира, фон Нейман был продуктом той
интеллектуальной среды, из которой вышли такие выдающиеся физики, как Эдвард Теллер, Лео Сциллард,
Денис Габор и Юджин Вигнер. Джон выделялся среди
них своими феноменальными способностями. В 6 лет
он перебрасывался с отцом остротами на древнегреческом, а в 8 освоил основы высшей математики. В
возрасте 20–30 лет, занимаясь преподавательской
работой в Германии, он внес значительный вклад в развитие квантовой механики – краеугольного камня современной физики, и разработал теорию игр – метод анализа взаимоотношений между людьми, который нашел широкое применение в различных областях, от экономики до военной стратегии. На протяжении всей жизни он любил поражать друзей и учеников своей способностью производить в уме сложные вычисления. Он делал это быстрее всех, вооруженных
бумагой, карандашом и справочниками. Когда же фон Нейману приходилось
писать на доске, он заполнял ее формулами, а потом стирал их настолько быстро, что про него рассказывали анекдот: «Однажды кто-то из коллег фон Нейма-

141

на, понаблюдав за очередным объяснением, сказал: “Понятно. Это доказательство методом стирания”».
Юджин Вигнер, школьный товарищ фон Неймана, лауреат Нобелевской
премии, говорил, что его ум представляет собой совершенный инструмент. Это
интеллектуальное совершенство было сдобрено изрядной долей добродушной
и весьма привлекательной эксцентричности. В поездках он порой так глубоко
задумывался о математических проблемах, что забывал, куда и зачем должен
ехать, и тогда приходилось звонить на работу за уточнениями.
Фон Нейман настолько легко и непринужденно чувствовал себя в любой
обстановке, без всяких усилий переключаясь от математических теорий к компонентам вычислительной техники, что некоторые коллеги считали его «ученым
среди ученых», своего рода «новым человеком», что, собственно, и означала
его фамилия в переводе с немецкого. Теллер как-то в шутку сказал, что он один
из немногих математиков, способных снизойти до уровня физика» [37]. Сам же
фон Нейман не без юмора объяснял свою мобильность тем, что он родом из
Будапешта: «Только человек, родившийся в Будапеште, может, войдя во вращающиеся двери после вас, выйти из них первым» [37].
Интерес фон Неймана к компьютерам в какой-то степени связан с его участием в сверхсекретном Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы,
который разрабатывался в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. Тогда фон Нейман
математически доказал осуществимость «имплозии» – взрывного способа детонации атомной бомбы. Позже он стал участником работ по водородной бомбе,
создание которой требовало еще более сложных расчетов.
Однако фон Нейман понимал, что компьютер – это больше, чем простой
калькулятор, что – по крайней мере, потенциально – он представляет собой
универсальный инструмент для научных исследований. В июле 1954 г., меньше
чем через год после того, как он присоединился к группе Моучли и Эккерта, фон
Нейман подготовил отчет на 101 странице, в котором обобщил планы работы
над машиной EDVAC. Этот отчет, озаглавленный «Предварительный доклад о
машине EDVAC», представлял собой прекрасное описание не только самой
машины, но и ее логических свойств. Присутствовавший на докладе военный
представитель Голдстейн размножил доклад и разослал ученым как США, так и
Великобритании.
Благодаря этому «Предварительный доклад» фон Неймана стал первой
работой по цифровым электронным компьютерам, с которым познакомились
широкие круги научной общественности. Доклад передавали из рук в руки, из
лаборатории в лабораторию, из университета в университет, из одной страны в
другую. Эта работа обратила на себя особое внимание, поскольку фон Нейман
пользовался широкой известностью в ученом мире. С того момента компьютер
был признан объектом, представлявшим научный интерес. В самом деле, и по
сей день ученые иногда называют компьютер «машиной фон Неймана».
Читатели «Предварительного доклада» были склонны полагать, что все
содержащиеся в нем идеи, в частности принципиально важное решение хранить
программы в памяти компьютера, исходили от самого фон Неймана. Мало кто
знал, что Моучли и Эккерт говорили о программах, записанных в памяти, по
крайней мере, за полгода до появления фон Неймана в их рабочей группе;
большинству неведомо было и то, что Алан Тьюринг, описывая свою гипотетическую универсальную машину, еще в 1936 г. наделил ее внутренней памятью.
Не исключено, что фон Нейман читал классическую работу Тьюринга незадолго
до войны.
Увидев, сколько шума наделал фон Нейман и его «Предварительный доклад», Моучли и Эккерт были глубоко возмущены. В свое время по соображениям секретности они не смогли опубликовать никаких сообщений о своем изобре-

142

тении. И вдруг Голдстейн, нарушив секретность, предоставил трибуну человеку,
который только-только присоединился к проекту. Споры о том, кому должны
принадлежать авторские права на EDVAC и ENIAC, привели в конце концов к
распаду рабочей группы.
В дальнейшем фон Нейман работал в Принстонском институте перспективных исследований, принимал участие в разработке нескольких компьютеров
новейшей конструкции. Среди них была, в частности, машина, которая использовалась для решения задач, связанных с созданием водородной бомбы. Фон
Нейман остроумно окрестил ее «Маньяк» (MANIAC, аббревиатура от
Mathematical Analyzer, Numerator, Integrator and Computer – математический
анализатор, счетчик, интегратор и компьютер). Фон Нейман был также членом
комисcии по атомной энергии и председателем консультативного комитета ВВС
США по баллистическим ракетам.
Умер фон Нейман в возрасте 54 лет от саркомы.

ЭНИАК
Американский ENIAC (рис. 3.5), который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал
применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало
ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде
всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по
причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная
под руководством Джона Моучли (John Mauchly) и Дж. Преспера Эккерта (J. Presper Eckert) эта машина была в 1 тыс. раз быстрее, чем все
другие машины того времени. Разработка ЭНИАК продлилась с 1943
до 1945 г. и была запущена 14 февраля. (Так что этот день принадлежит не только влюбленным, но и компьютерщикам. – Прим. авт.) В то
время когда был предложен данный проект, многие исследователи
были убеждены, что среди тысяч хрупких электровакуумных ламп
многие будут сгорать настолько часто, что ЭНИАК будет слишком
много времени простаивать в ремонте и тем самым будет практически
бесполезен. Тем не менее на реальной машине удавалось выполнять
несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до
очередного сбоя из-за сгоревшей лампы. ЭНИАК выполнял баллистические расчеты и потреблял мощность в 160 кВт.
ЭНИАК, безусловно, удовлетворяет требованию полноты по
Тьюрингу. Но «программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей – огромное отличие от
машин с хранимой программой, появившихся позже. Тем не менее в
то время вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было
тогда решение только одной единственной задачи. (Улучшения, которые были завершены в 1948 г., дали возможность исполнения программы, записанной в специальной памяти, что сделало программирование более систематичным, менее «одноразовым» достижением.)
143

Рис. 3.5. ЭНИАК

Переработав идеи Эккерта и Мочли, а также, оценив ограничения ЭНИАК, Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчет,
описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа,
и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура
фон Неймана» и послужили основой для разработки первых понастоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

3.3. Компьютеры с архитектурой фон Неймана
Первое поколение
Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стал
манчестерский Baby – Small-Scale Experimental Machine, созданный в
Манчестерском университете в 1948 г.; в 1949 г. за ним последовал
компьютер «Манчестерский Марк I», который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти,
а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание
«первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC,
разработанный и сконструированный в Кембриджском университете.
Заработавший менее чем через год после Baby, он уже мог использоваться для решения реальных проблем. На самом деле, EDSAC был
создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника
144

ENIAC. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком.
Такое решение было проще и надежнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что «Манчестерский Марк I» (EDSAC,
EDVAC) стал «Евой», от которого ведут свою архитектуру почти все
современные компьютеры.
Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой ученых под руководством
Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники
(СССР, Украина). ЭВМ (Малая электронная счетная машина) МЭСМ
заработала в 1950 г. Она содержала около 6 тыс. электровакуумных
ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3 тыс. операций в секунду. Другой машиной того времени была австралийская
CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 г.
В октябре 1947 г. директора компании Lyons & Company, британской компании, владеющей сетью магазинов и ресторанов, решили
принять активное участие в развитии коммерческой разработки компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 г. и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы.
Машина Манчестерского университета стала прототипом для
Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в
феврале 1951 г., и, по крайней мере, девять других были проданы
между 1951 и 1957 г.
В июне 1951 г. UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи
населения США. Машина была разработана в компании Remington
Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн долл. за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в
единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5,2 тыс. электровакуумных ламп и потреблял 125 кВт энергии. Использовались ртутные
линии задержки, хранящие 1 тыс. слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова). В отличие от машин IBM,
оснащаемых устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал
ввод с металлизированной магнитной ленты стиля 1930-х, благодаря
чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существующими
коммерческими системами хранения данных. Другими компьютерами
того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и
ввод/вывод с использованием более современных магнитных лент.
Первой советской серийной ЭВМ стала «Стрела«, производимая
с 1953 г. на Московском заводе счетно-аналитических машин. «Стрела» относится к классу больших универсальных ЭВМ (мейнфрейм) с
145

трехадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2–3 тыс.
операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два
накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объем оперативной памяти – 2 048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6,2 тыс.
ламп, 60 тыс. полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.
В 1955 г. Морис Уилкс изобретает микропрограммирование,
принцип, который позднее широко используется в микропроцессорах
самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет
определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных
программ (которые носят названия микропрограмма, англ. firmware).
В 1956 г. IBM впервые продает устройство для хранения информации на магнитных дисках – RAMAC (Random Access Method of
Accounting and Control). Оно использует 50 металлических дисков
диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство
хранило до 5 Мб данных и стоило по 10 тыс. долл. за 1 Мб. (В 2006 г.
подобные устройства хранения данных – жесткие диски – стоят менее
0,001 долл. за Мб, в 2011 г. – менее 0,0001 долл. за 1 Мб)
1950-е – начало 1960-х: второе поколение
Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники
стало изобретение транзистора в 1947 г. Они стали заменой хрупким и
энергоемким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят
как о «втором поколении», которое доминировало в 1950-х и начале
1960-х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто
значительное уменьшение размеров (рис. 3.6) и объемов потребляемой
энергии, а также повышение надежности. Например, IBM 1620 на
транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с
офисный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему
были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Рис. 3.6. Различные транзисторы в масштабе

146



Типичной в этом смысле является история Вычислительного центра Иркутского госуниверситета. Центр был создан в 1959 г. в числе первых пяти центров в вузах страны. Большую роль в его организации сыграл профессор И. А. Парфианович, бывший тогда деканом физикоматематического факультета.
В некотором роде предтечей Вычислительного центра в Иркутском госуниверситете являлась научно-исследовательская лаборатория математических приборов, выросшая на основе научно-исследовательских и конструкторских работ, проводившихся в университете с 1949 г. Возглавлял лабораторию
заслуженный изобретатель РФ, канд. физ.-мат. наук А. Б. Штыкан. Абрам Борисович при Сталине был репрессирован, и только благодаря личному поручительству профессоров И. А. Парфиановича и В. В. Васильева он был принят на
работу в ИГУ и допущен к спецтематике. В 1958 г. в составе лаборатории было
4 сотрудника и на ее нужды было ассигновано 2 тыс. руб. из госбюджета, в
1965 г. финансирование составляло 34 тыс. руб. госбюджета и 40 тыс. руб.
хоздоговоров, при штате 9 единиц. Лаборатория разрабатывала новые математические приборы и методику их применения для нужд конструкторских бюро
Министерства авиапромышленности, а также графические методы решения
дифференциальных и интегральных уравнений. Здесь впервые в СССР были
созданы опытные партии математических приборов, по многим показателям
превосходившие зарубежные образцы. В 1965 г. сотрудники лаборатории
А. Б. Штыкан, В. Е. Войцеховский, В. С. Петрушин были награждены медалями
ВДНХ СССР, а университет был удостоен двух дипломов. Лаборатория прекратила свое существование вскоре после ухода на покой А. Б. Штыкана.
Первым начальником Вычислительного центра стал выпускник физмата
В. И. Бурков, в 1962 г. его сменил другой выпускник физмата В. Б. Манцивода,
бессменно руководивший ВЦ вплоть до его ликвидации. В момент создания
центра на нем работало шесть человек (В. И. Бурков, В. С. Сухарев,
Ю. Е. Катышевцев). Технической базой являлась ЭВМ «Урал-1», объем научных
исследований составлял 17 тыс. руб. Вычислительный центр университета
быстро развивался. К 1968 г. на ВЦ работало уже 89 сотрудников, стоимость
материальной базы составляла 620 тыс. руб., а объем хоздоговорных научноисследовательских работ (НИР) 200 тыс. руб. В 1978 г. объем НИР Вычислительного центра достигал 870 тыс. руб. В его состав входило 5 лабораторий:
исследования систем управления, экономико-математических исследований,
дифференциальных уравнений, автоматизации программирования, математической статистики и теории вероятностей, а также 3 отдела и 5 групп, объединяющих 254 штатных сотрудника. Вычислительный центр был оснащен пятью
ЭВМ: БЭСМ-4, М-222, ОДРА-1304, Минск-32, НАИРИ-С и АВМ МЛ-18. Стоимость
материальной базы составляла 2,2 млн руб. Коллектив ВЦ вел исследования в
области решения дифференциальных уравнений, физики ионосферы и распространения радиоволн, оптимального управления и создания автоматизированных систем управления промышленностью и строительством. Результаты его
исследований широко использовались для решения различных научных и технических задач. Сотрудниками ВЦ была создана методика комплексной обработки экспериментальных данных и составления геологических карт с помощью
ЭВМ, построена автоматическая система управления промышленным предприятием, по алгоритмам и программам, разработанным на ВЦ, регулярно проводились расчеты сетевых графиков для строительных организаций Иркутской и
Читинской областей, Бурятской АССР. На ВЦ проводились учебная и производственная практики студентов университета, института народного хозяйства,
политехнического и педагогического институтов.

147

К ноябрю 1991 г. на ВЦ имелись две машины общего пользования
ЕС-1061 и ЕС-1046 и обслуживались 173 персональных компьютера различных
марок; на базе этой техники было создано 5 дисплейных классов. На Вычислительный центр возлагались задачи формирования технической политики по оснащению
учебного процесса и научной работы средствами вычислительной техники, организации обслуживания и ремонта ЭВМ, оказание методической помощи в установке и
эксплуатации программного обеспечения вычислительной техники.
С наступлением эры персональных компьютеров большие ЭВМ стали исчезать и Вычислительный центр университета утратил свое значение, сохранившись лишь номинально. Большая часть функций ВЦ перешла к Центру новых информационных технологий.
В Иркутском научном центре СО АН СССР Вычислительный центр был организован в 1980 г. Его директорами были: В. М. Матросов, академик, лауреат Государственной премии (1980–1991), С. Н. Васильев, академик, лауреат Государственной премии (1991–2006), И. В. Бычков, член-корреспондент РАН (с 2006 г.).
Вычислительный центр активно развивался и был преобразован в Институт динамики систем и теории управления (ИДСТУ) СО РАН.
Основные научные направления ИДСТУ:
 научные основы теории и методов управления;
 математические методы и информационные технологии исследования
динамических систем.
Учеными института созданы научные школы, снискавшие мировую известность своими работами в области теории устойчивости, логико-динамических систем и интеллектного управления, дифференциальных включений, алгебро-дифференциальных систем, математической теории систем нелинейных
интегро-дифференциальных уравнений.
На базе теории многозначных отображений разработаны методы нелинейного
анализа сложных динамических систем, в том числе в функциональных пространствах, применяющиеся в вариационном исчислении, механике, управлении.
Созданы и внедрены методы математического моделирования, оптимального и адаптивного управления, многокритериального принятия решений, автоматического доказательства и синтеза теорем, методы создания новых информационных технологий.
Разработаны интеллектуализированные инструментальные и прикладные
программные системы, в том числе: методо- и проблемноориентированные
пакеты программ для анализа математических моделей систем технической,
технологической, организационной, социально-эколого-экономической природы;
пакеты программ для построения и идентификации моделей, синтеза параметров и управлений; оболочки экспертных систем; инструментальная среда организации распределенных вычислений; корпоративная гибридная интеллектная
геоинформационная система.
Разработаны современные информационные технологии для создания
систем поддержки принятия решений, в том числе в органах государственной
власти и местного самоуправления.
Институт выступает Центром коллективного пользования вычислительных, информационных и коммуникационных ресурсов в ИНЦ СО РАН и шире,
выполняя функции разработки, эксплуатации, администрирования и развития
информационных и телекоммуникационных ресурсов, функции Суперкомпьютерного центра, а также Иркутского ГИС-центра СО РАН.

148

«Сетунь» была первым компьютером на основе троичной логики,
разработанным в 1958 г. в Советском Союзе.
В 1959 г. на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм
IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером
общего назначения того времени: было выпущено 12 тыс. экземпляров
этой машины. В ней использовалась память на 4 тыс. символов (позже
увеличенная до 16 000 символов). Многие аспекты этого проекта были
основаны на желании заменить перфокарточные машины, которые
широко использовались начиная с 1920-х до самого начала 1970-х гг.
В 1960 г. IBM выпустила транзисторную IBM 1620, изначально
только перфоленточную, но вскоре обновленную до перфокарт. Модель стала популярна в качестве научного компьютера, было выпущено около 2 тыс. экземпляров. В машине использовалась память на
магнитных сердечниках объемом до 60 тыс. десятичных цифр.
В том же 1960 г. DEC выпустила свою первую модель – PDP-1,
предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований.
В 1961 г. Burroughs Corporation выпустила B5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью. Другими уникальными
особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера.
Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ
стали «Снег» и «Весна», выпускаемые с 1964 по 1972 г. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 тыс. операций в секунду.
Машины изготавливались на базе транзисторов с тактовой частотой
5 МГц. Всего было выпущено 39 ЭВМ.
Наилучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается
БЭСМ-6, созданная в 1966 г. В архитектуре БЭСМ-6 впервые был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14
одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях
выполнения). Механизмы прерывания, защиты памяти и другие новаторские решения позволили использовать БЭСМ-6 в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени. ЭВМ имела 128 Кб
оперативной памяти на ферритовых сердечниках и внешнюю память
на магнитных барабанах и ленте. БЭСМ-6 работала с тактовой частотой 10 МГц и рекордной для того времени производительностью –
около 1 млн операций в секунду. Всего было выпущено 355 ЭВМ.
Третье и четвертое поколение
Бурный рост использования компьютеров начался с так называемым третьим поколением вычислительных машин. Начало этому по149

ложило изобретение интегральных схем (рис. 3.7), которые независимо друг от друга изобрели Джек Килби и Роберт Нойс. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel).
В течение 1960-х гг. наблюдалось определенное перекрытие технологий 2-го и 3-го поколений. В конце 1975 г. в Sperry Univac продолжалось производство машин 2-го поколения, таких как UNIVAC 494.

Рис. 3.7. Интегральные микросхемы,
содержащие многие сотни миллионов транзисторов

Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров – небольших недорогих компьютеров, которыми могли
владеть небольшие компании или отдельные люди. Микрокомпьютеры, представители четвертого поколения, первые из которых появились в 1970-х, стали повсеместным явлением в 1980-х и позже. Стив
Возняк, один из основателей Apple Computer, стал известен как разработчик первого массового домашнего компьютера, а позже – первого
персонального компьютера. Компьютеры на основе микрокомпьютерной архитектуры, с возможностями, добавленными от их больших
собратьев, сейчас доминируют в большинстве сегментов рынка.
Персональный компьютер – компьютер (вычислительная машина) предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросы большого количества людей.
В активное употребление термин был введен в конце 1970-х гг.
компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии перенесен на компьютеры IBM PC. Некоторое время персональ150

ным компьютером называли любую машину, использующую процессоры Intel и работающую под управлением операционных систем
DOS, OS/2 и первых версий Microsoft Windows. С появлением других процессоров, поддерживающих работу перечисленных программ, таких как
AMD, Cyrix (ныне VIA), название стало иметь более широкую трактовку.
Курьезным фактом стало отрицание принадлежности к классу персональных компьютеров вычислительных машин Amiga и Macintosh, долгое
время использовавших альтернативную компьютерную архитектуру.
В Советском Союзе вычислительные машины, предназначенные
для личного использования, носили официальное название персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ). В терминологии,
принятой в российских стандартах, это словосочетание и сегодня указывается вместо используемого де-факто названия «Централизованные вычисления».
До появления первых персональных компьютеров приобретение
и использование вычислительных машин обходились очень дорого,
что исключало их владение частными лицами. Компьютеры можно
было найти в больших корпорациях, университетах, исследовательских центрах, государственных учреждениях и, конечно же, у военных.
Конструкторы и самодельные компьютеры
Создание персональных компьютеров стало возможным в семидесятых годах, когда любители стали собирать свои собственные компьютеры иногда лишь для того, чтобы в принципе иметь возможность
похвастаться таким необычным предметом. Ранние персональные
компьютеры почти не имели практического применения и распространялись очень медленно.
Родившись в качестве жаргонизма, синонима названия микрокомпьютер, наименование персональный компьютер постепенно меняло свое значение. Так, первое поколение персональных компьютеров можно было приобрести только в виде комплекта деталей, а иногда даже просто обыкновенной инструкции для сборки. Сама сборка,
программирование и наладка системы требовали определенного опыта, навыка работы с машинными кодами или ассемблером. Чуть позднее, когда подобные устройства стали привычны и начали продаваться
готовыми, вместе с некоторым набором адаптированных программ, в
обиход вошло название домашний компьютер.
Первые фирменные домашние ПК
Домашние компьютеры стали более удобными и требовали от
своих пользователей уже гораздо меньшего количества технических
навыков. В августе 1981 г. IBM выпустила компьютерную систему
151

IBM PC (фирменный номер модели IBM 5150), положившую начало
эпохе современных персональных компьютеров.
Уже через 4 года, 23 июля 1985 г., появился первый в мире мультимедийный персональный компьютер Amiga (Amiga 1000) и персональный компьютер Apple Macintosh. Персональные компьютеры
Amiga, наряду с макинтошами, оставались самыми популярными и
продаваемыми машинами для домашнего использования (IBM PC доминировали в сфере конторских компьютеров, и здесь их продажи
были несравнимо выше) вплоть до 1995 г.
В 1995 г. произошло два ключевых события в истории ПК: банкротство корпорации Commodore и появление Microsoft Windows 95,
приблизившей PC-совместимые компьютеры к тем возможностям,
которые существовали на Commodore Amiga и Apple Macintosh.
Cегодня возможности мультимедиа доступны в каждом доме и на любой аппаратной платформе.
Как правило, один экземпляр персонального компьютера используется только одним, или, в крайнем случае, несколькими пользователями (например, в семье). В соответствии со своим назначением, он
обеспечивает работу наиболее часто используемых приложений, таких
как текстовые процессоры, веб-браузеры, почтовые программы, мессенджеры, мультимедийные программы, компьютерные игры, графические редакторы, среды разработки программного обеспечения и т. п.
Для упрощения взаимодействия с людьми подобные программы
оснащаются удобным графическим интерфейсом.
По данным аналитической компании IDC, в 2005 г. мировые поставки персональных компьютеров составили 202,7 млн штук (рост на
15,8 % по сравнению с 2004 г.).
В 2007 г., по данным IDC, продажи персональных компьютеров в
мире составили 269 млн штук (рост по сравнению с предыдущим годом на 14,3 %). Лидером по продажам ПК стала компания HewlettPackard (около 18,2 % всех поставок).
За 25 лет истории персональных компьютеров произошли следующие ключевые изменения в их архитектуре: появление extended
memory (более 1 Мб); переход с 16-битных на 32-битные процессоры;
замена шины ISA на шину PCI; внедрение шины AGP; появление
стандарта ATX; переход с шины AGP (и PCI) на PCI-Express; внедрение многоядерных процессоров; переход с 32-битных на 64-битные
процессоры.
Мобильные (носимые) ПК
Ноутбуки «Компактные компьютеры» (рис. 3.8), содержащие все
необходимые компоненты (в том числе монитор) в одном небольшом
152

корпусе, как правило, складывающемся в виде книжки. Приспособлены для работы в дороге, на небольшом свободном пространстве. Для
достижения малых размеров в них применяются специальные технологии: специально разработанные специализированные микросхемы
(ASIC), ОЗУ и жесткие диски уменьшенных габаритов, компактная
клавиатура, не содержащая цифрового поля, внешние блоки питания,
минимум гнезд расширения.

Рис. 3.8. IBM Thinkpad R51

Как правило, содержат развитые средства подключения к проводным и беспроводным сетям, встроенное мультимедийное оборудование (динамики, часто микрофон и веб-камеру). Вычислительная
мощность обычно раза в два уступает настольным ПК при сравнимой
цене, однако объем памяти и накопителей может быть меньше. Очень
компактные модели не содержат CD/DVD-накопителя.
Посредством специальных доков ноутбуки могут превращаться в
настольные ПК: вставляя ноутбук в такой док, пользователь подключает к вычислительным устройствам ноутбука внешний большой
экран, полноразмерную клавиатуру, мышь, динамики и порты подключения.
Планшетные ПК
Аналогичны ноутбукам, но содержат чувствительный к нажатию
экран и не содержат механической клавиатуры (рис. 3.9). Ввод текста
и управление осуществляются через экранный интерфейс, часто доработанный специально для удобного управления пальцами. Некоторые
модели могут распознавать рукописный текст, написанный на экране.

153

Рис. 3.9. Планшетный ноутбук Toshiba 3500

Чаще всего корпус не раскрывается, как у ноутбуков, а экран
расположен на внешней стороне верхней поверхности. Бывают и комбинированные модели, у которых корпус может поворачиваться на
оси и раскрываться, предоставляя доступ к расположенной внутри
клавиатуре.
Вычислительная мощь уступает настольным ПК, так как для
длительной работы без внешнего источника питания приходится использовать энергосберегающие процессоры, накопители и экран.
Карманные ПК (PDA)
КПК – сверхпортативные устройства, умещающиеся в кармане
(рис. 3.10). Управление ими, как правило, происходит с помощью небольшого по размерам и разрешению экрана, чувствительного к нажатию пальца или специального пера (стилуса), а клавиатура и мышь
отсутствуют. Некоторые модели, впрочем, содержат миниатюрную
фиксированную или выдвигающуюся из корпуса клавиатуру.
Разрешение экрана невелико, как правило, 320 Ч 400 (экран может использоваться и боком, тогда разрешение становится 400 Ч 320),
в некоторых моделях – 640 Ч 480 (так называемое VGA-разрешение).
В таких устройствах используются сверхэкономичные процессоры и флэш-накопители небольшого объема, поэтому их вычислительная мощь несопоставима с настольными ПК. Тем не менее они содержат все признаки персонального компьютера: процессор, накопитель,
оперативную память, монитор, операционную систему, прикладное
ПО и даже игры.
154

Рис. 3.10. КПК Acer N10

Все более популярными становятся КПК, содержащие функции
мобильного телефона (коммуникаторы). Встроенный коммуникационный модуль позволяет не только совершать звонки, но и подключаться
к Интернету в любой точке, где есть сотовая связь совместимого формата (GSM/GPRS, CDMA).
Нестандартные конструкции ПК
Баребоны (Barebone) – компьютеры, строящиеся пользователем
для выполнения определенных задач (обычно в качестве мультимедийной станции). В продажу поступают в виде так называемых скелетных баз в составе корпуса, материнской платы и системы охлаждения. Материнская плата, как правило, оснащена встроенной звуковой
и видеокартой. Выбор конфигурации и, соответственно, комплектующих в виде дисковых накопителей, памяти и периферии, а также других устройств (ТВ-тюнера, дополнительной видеокарты и т. п.) ложится на пользователя. Как правило, баребоны имеют меньшую высоту корпуса (рис. 3.11) и, как следствие, уменьшенный внутренний
объем, а также усовершенствованную систему охлаждения, отличающуюся низкими показателями производимого шума.
Ряд компаний производит защищенные ПК – компьютеры, обладающие устойчивостью к агрессивным средам: сильной вибрации,
ударам, большой запыленности, влажности – условиям, в которых
обычные ПК быстро бы вышли из строя. Как правило, устойчивые ПК
выпускаются в формате ноутбуков, более тяжелых и больших по размерам, чем обычные. Их стоимость также значительно выше.
Промышленные ПК предназначены для решения задач промышленной автоматизации. Отличаются стойкостью к различным внешним
воздействиям, увеличенным жизненным циклом изделия, возможностью
подключения к промышленным сетям (PROFInet, PROFIBUS).
155

Рис. 3.11. Компьютер формата баребон

Для использования в жилых комнатах используются конструкции ПК, производящие минимум шума или работающие совершенно
бесшумно – так называемые тихие ПК. Такие модели можно оставлять включенными постоянно, что дает ряд преимуществ: отсутствует
период загрузки, компьютер всегда готов к работе и может постоянно
отслеживать новую почту или мгновенные сообщения для пользователя. На рис. 3.12 представлен бесшумный компьютер Zonbu. В целом
постоянно включенный ПК может выполнять ряд особенных задач:
быть мультимедийной станцией (воспроизводить видео-, аудиозаписи,
интернет-радио); работать как видеомагнитофон: записывать передачи
телевидения или радио для последующего просмотра или прослушивания в удобное время; служить P2P-клиентом (обмениваться файлами в
автоматическом режиме с другими компьютерами), домашним или даже
интернет-сервером; следить за температурой или присутствием с помощью соответствующих датчиков или фото-, видеокамеры (веб-камеры).

Рис. 3.12. Бесшумный компьютер Zonbu

Чтобы сделать ПК тихим, используется несколько технологий:
жидкостное охлаждение; малошумные вентиляторы с лопастями спе156

циальной формы; процессоры, не требующие активного охлаждения
(ввиду их маломощности это не всегда приемлемое решение); малошумные жесткие диски, а также установка их на шумопоглощающие
крепления; замена жестких дисков на флэш-память или удаленные
дисковые массивы.
Большинство современных персональных компьютеров способны снижать потребляемую мощность и уровень шума в моменты низкой нагрузки, но для постоянной тихой работы не обойтись без применения специальных технологий, указанных выше.
Некоторые компании предлагают ПК значительно меньше по
размерам, чем стандартные (компактные ПК). Такие модели занимают меньше места в рабочей или домашней обстановке, легче вписываются в интерьер, зачастую красивее по дизайну и тише обычных
ПК. Собрать компактную модель по силам и обыкновенному пользователю, если подобрать специальные модели корпуса и материнской
платы, однако стоимость такого ПК будет выше, чем обыкновенного.
В то же время компании, занимающиеся этим профессионально, нередко достигают выигрыша в цене и удобстве эксплуатации.
Одними из первых компактных компьютеров были модели Apple
Macintosh в 1984 г., которые представляли собой моноблок: системные
компоненты в одном корпусе с монитором. Значительно позже идея
была продолжена в моделях eMac и iMac. Аналогичные по формату
компьютеры пытались выпускать и другие компании (напр.,
eMachines), но без особого успеха.
Параллельно технологии миниатюризации отрабатывались на
тонких клиентах, которые обычно невелики по размерам и весу.
Развитие GNU/Linux и другого ПО с открытым кодом придало компактным моделям новое дыхание, и сейчас многие фирмы предлагают
компактные ПК (Linutop) или целые комплексы на их основе (Zonbu).
Вершины миниатюризации достигла компания Apple со своей
моделью Mac mini (рис. 3.13). Этот чрезвычайно компактный компьютер (по размерам как небольшая, но толстая книга) обладает тем не
менее адекватной вычислительной мощностью (процессор Intel Core
Duo) и работает совершенно бесшумно.

Рис. 3.13. Mac mini

157

Существует несколько конкурирующих между собой проектов
компактных и очень дешевых в производстве персональных компьютеров, предназначенных для развивающихся стран: OLPC, VIA pc-1
Initiative, Intel Classmate PC, ASUS Eee PC и др. Однако удешевление и
миниатюризация достигнуты дорогой ценой: их вычислительная мощность несопоставима с мощностью полноценного ПК.
Технологии, уменьшающие габариты ПК: материнская плата
уменьшенного формата (micro-ATX и др.); корпус маленького формата; DVD- и CD-накопители со щелевой загрузкой; меньшее количество
отсеков для жестких дисков и DVD/CD, зачастую всего один; меньше
коннекторов USB, аудио- и т. д.; внешние блоки питания.
Хакинтош
Хакинтош (англ. hackintosh, от слов «хакер» и «макинтош») – это
ПК, собранный любителем и поддерживающий работу с операционной системой Mac OS, во взломанном для запуска на PC варианте,
называемой OSx86, т. е. более дешевый аналог компьютера Apple
(рис. 3.14). Так как современные версии этой системы рассчитаны на
процессор Intel и другие стандартные компоненты, возникает теоретическая возможность запускать ее на любых ПК. В реальности поддерживается только узкий набор аппаратуры, который встречается в
настоящих макинтошах, поэтому «хакинтош» должен состоять исключительно из таких деталей. Кроме того, коммерчески поставляемая
система защищена от работы на чужой аппаратуре, так что в «хакинтоше» применяют старую служебную версию без этой защиты
либо взломанную более свежую версию. В зависимости от точности
подбора аппаратуры такой компьютер может работать как довольно
устойчиво, так и неприемлемо. Например, типичная конфигурация
мощного хакинтоша: ASUS P5B/Core 2 Duo 2.4 Ghz/2x1024 mb/GeForce
7900GS TOP 256mb/DVD-RW SATA NEC/HITACHI 320GB SATA.

Рис. 3.14. Хакинтош

158

Встречаются устойчиво работающие конфигурации на базе процессоров AMD, но обычно на платформе AMD удается добиться устойчивой работы только версии Mac OS X 10.4.x. Версия 10.5.x (Leopard)
пока что стабильно работает только на Intel (Core 2 Duo) платформе.
Сама компания Apple категорически против постройки и эксплуатации таких устройств, и ей удалось с помощью предупреждений и
угроз возбудить судебное преследование и закрыть несколько подобных сайтов.
Ведущей компанией в мире в области программного обеспечения
в настоящее время является корпорация Microsoft, основанная
Б. Гейтсом в 1975 г.

***
Билл Гейтс (Уи́льям Ге́нри Гейтс III) (родился
28 октября 1955 г., Сиэтл, штат Вашингтон) – американский предприниматель и изобретатель в области
электронно-вычислительной техники, председатель и
главный исполнительный директор ведущей компании в мире в области программного обеспечения
Microsoft.
Родился в семье видного адвоката. Уже в
средней школе проявил незаурядные математические способности. Будучи учеником старших классов,
создал свою первую компанию Traf-O-Data, занимавшуюся продажей программ для определения интенсивности дорожного движения.
В 1975 г., бросив Гарвардский университет, где он готовился стать правоведом, как его отец, Гейтс совместно со своим школьным товарищем Полом
Алленом основал компанию Microsoft. Первой задачей новой фирмы стала
адаптация языка Бейсик для использования в одном из первых коммерческих
микрокомпьютеров – «Альтаире» Эдварда Робертса.
В 1980 г. Microsoft разработала операционную систему MS-DOS (Microsoft
Disk Operation System) для первого IBM PC, ставшую к середине 1980-х гг. основной операционной системой на американском рынке микрокомпьютеров.
Затем Гейтс приступил к разработке прикладных программ – электронных таблиц Excel и текстового редактора Word, и к концу 1980-х Microsoft стала лидером
и в этой области.
В 1986 г., выпустив акции компании в свободную продажу, Гейтс в возрасте 31 года стал миллиардером. В 1990 г. компания представила оболочку
Windows 3.0, в которой вербальные команды были заменены на пиктограммы,
выбираемые с помощью «мыши», что значительно облегчило пользование компьютером. В начале 1990-х гг. «Окна» продавались в количестве 1 млн копий в
месяц. К концу 1990-х гг. около 90 % всех персональных компьютеров в мире
были оснащены программным обеспечением Microsoft.
О работоспособности Билла Гейтса, а также его уникальном качестве
эффективно включиться в работу на любом ее этапе ходят легенды. Безусловно, Гейтс принадлежит к когорте самых незаурядных бизнесменов новой генерации. В 1995 г. он выпустил книгу «Дорога в будущее», которая стала бестселлером. В 1997–2007 гг. возглавлял список самых богатых людей в мире.

159

3.4. Компьютеры пятого поколения
Компьютеры пятого поколения – широкомасштабная правительственная программа в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта, предпринятая в 1980-е гг. Целью
программы было создание «эпохального компьютера» с производительностью суперкомпьютера и мощными функциями искусственного
интеллекта. Начало разработок – 1982 г., конец разработок – 1992 г.,
стоимость разработок – 57 млрд иен (порядка 500 млн долл.).
Возникновение проекта
К моменту начала проекта Япония не являлась лидером в области компьютерных технологий, хотя достигла большого успеха в реализации компьютеров и приборов, беря за основу американские или
английские разработки. Министерство международной торговли и
промышленности Японии решило форсировать прорыв Японии в лидеры, и с 70-х гг. министерство стало строить прогнозы о будущем
компьютеров, поручив Японскому центру развития обработки информации указать несколько наиболее перспективных направлений для
будущих разработок, а в 1979 г. был предложен трехлетний контракт
для более глубоких исследований, подключая промышленные и академические организации. Именно в это время и появился термин
«компьютеры пятого поколения».
Этот термин должен был подчеркнуть, что Япония планирует совершить новый качественный скачок в развитии вычислительной техники. Первым поколением считались ламповые компьютеры, вторым – транзисторные, третьим – компьютеры на интегральных схемах,
а четвертым – с использованием микропроцессоров. В то время как
предыдущие поколения совершенствовались за счет увеличения количества элементов на единицу площади (миниатюризации), компьютеры пятого поколения должны были для достижения сверхпроизводительности интегрировать огромное количество процессоров.
Задачи исследования
Главные направления исследований были следующими:
 технологии логических заключений (inference) для обработки знаний;
 технологии для работы со сверхбольшими базами данных и базами знаний;
 рабочие станции с высокой производительностью;
 компьютерные технологии с распределенными функциями;
 суперкомпьютеры для научных вычислений.
Речь шла о компьютере с параллельными процессорами, работающим с данными, хранящимися в обширной базе данных, а не в фай160

ловой системе. При этом доступ к данным должен был осуществляться с помощью языка логического программирования. Предполагалось,
что прототип машины будет обладать производительностью между
100 млн и 1 млрд LIPS, где LIPS – это логическое заключение в секунду. К тому времени типовые рабочие станции были способны на производительность около 100 тыс. LIPS.
Ход разработок представлялся так, что компьютерный интеллект,
набирая мощность, начинает изменять сам себя, и целью было создать
такую компьютерную среду, которая сама начнет производить следующую, причем принципы, на которых будет построен окончательный
компьютер, были заранее неизвестны, эти принципы предстояло выработать в процессе эксплуатации начальных компьютеров.
Далее, для резкого увеличения производительности, предлагалось постепенно заменять программные решения аппаратными, поэтому не делалось резкого разделения между задачами для программной и аппаратной базы.
Ожидалось добиться существенного прорыва в области решения
прикладных задач искусственного интеллекта. В частности, должны
были быть решены следующие задачи:
 печатная машинка, работающая под диктовку, которая сразу
устранила бы проблему ввода иероглифического текста, которая в то
время стояла в Японии очень остро;
 автоматический портативный переводчик с языка на язык (разумеется, непосредственно с голоса), который сразу бы устранил языковый барьер японских предпринимателей на международной арене;
 автоматическое реферирование статей, поиск смысла и категоризация;
 другие задачи распознавания образов – поиск характерных признаков, дешифровка, анализ дефектов и т. п.
От суперкомпьютеров ожидалось эффективное решение задач
массивного моделирования, в первую очередь в аэро- и гидродинамике.
Эту программу предполагалось реализовать за 10 лет, три года
для начальных исследований и разработок, четыре года для построения отдельных подсистем, и последние четыре года для завершения
всей прототипной системы. В 1982 г. правительство Японии решило
дополнительно поддержать проект и основало Институт компьютерной технологии нового поколения (ICOT), объединив для этого инвестиции различных японских компьютерных фирм.
Вера в будущее параллельных вычислений была в то время
настолько глубокой, что проект «компьютеров пятого поколения» был
принят в компьютерном мире очень серьезно. После того как Япония в
70-е гг. заняла передовые позиции в бытовой электронике и в 80-е ста161

ла выходить в лидеры в автомобильной промышленности, японцы
приобрели репутацию непобедимых. Проекты в области параллельной
обработки данных тут же начали разрабатывать в США – в Корпорации по микроэлектронике и компьютерной технологии (MCC), в Великобритании – в фирме Олви (Alvey), и в Европе в рамках Европейской стратегической программы исследований в области информационных технологий (ESPRIT).
Параллельный суперкомпьютер МАРС в СССР
В СССР также начались исследования параллельных архитектур
программирования, для этого в 1985 г. было создано ВНТК «СТАРТ»,
которому за три года удалось создать процессор «Кронос» и прототипный мультипроцессорный компьютер «МАРС».
В отличие от японцев, задача интеграции огромного числа процессоров и реализация распределенных баз знаний на базе языков типа
пролог не ставилась, речь шла об архитектуре, поддерживающей язык
высокого уровня типа модула-2 и параллельные вычисления. Поэтому
проект нельзя назвать пятым поколением в японской терминологии.
В 1988 г. проект был успешно завершен, но не был востребован и
не получил продолжения по причине перестройки и невыгодной для
отечественной компьютерной индустрии рыночной ситуации. «Успех»
заключался в частичной реализации прототипной архитектуры (в основном аппаратных средств), однако подобный японскому «большой
скачок» в области программирования, баз данных и искусственного
интеллекта в рамках этого проекта даже не планировался.
Последующие десять лет проект «компьютеров пятого поколения» стал испытывать ряд трудностей разного типа.
Первая проблема заключалась в том, что язык пролог, выбранный за основу проекта, не поддерживал параллельных вычислений, и
пришлось разрабатывать собственный язык, способный работать в
мультипроцессорной среде. Это оказалось трудным – было предложено несколько языков, каждый из которых обладал собственными ограничениями.
Другая проблема возникла с производительностью процессоров.
Оказалось, что технологии 80-х гг. быстро перескочили те барьеры,
которые перед началом проекта считались «очевидными» и непреодолимыми. А запараллеливание многих процессоров не вызывало ожидаемого резкого скачка производительности. Получилось так, что рабочие станции, созданные в рамках проекта, успешно достигли и даже
превзошли требуемые мощности, но к этому времени появились коммерческие компьютеры, которые были еще мощнее.
162

Помимо этого, проект «компьютеры пятого поколения» оказался
ошибочным с точки зрения технологии производства программного
обеспечения. Еще в период разработки этого проекта фирма Apple
разработала графический интерфейс (GUI). А позднее появился Интернет, и возникла новая концепция распределения и хранения данных, при этом интернетовские поисковые машины привели к новому
качеству хранения и доступа разнородной информации. Надежды на
развитие логического программирования, питаемые в проекте «компьютеры пятого поколения», оказались иллюзорными, преимущественно по
причине ограниченности ресурсов и ненадежности технологий.
Идея саморазвития системы, по которой система сама должна
менять свои внутренние правила и параметры, оказалась непродуктивной – система, переходя через определенную точку, скатывалась в
состояние потери надежности и утраты цельности, резко «глупела» и
становилась неадекватной.
Идея широкомасштабной замены программных средств аппаратными оказалась в корне неверной, развитие компьютерной индустрии
пошло по противоположному пути, совершенствуя программные средства при более простых, но стандартных аппаратных. Проект был ограничен категориями мышления 1970-х гг. и не смог провести четкого разграничения функций программной и аппаратной части компьютеров.
С любых точек зрения проект можно считать абсолютным провалом. За десять лет на разработки было истрачено более 50 млрд иен,
и программа завершилась, не достигнув цели. Рабочие станции так и
не вышли на рынок, потому что однопроцессорные системы других
фирм превосходили их по параметрам, программные системы так и не
заработали, появление Интернета сделало все идеи проекта безнадежно устаревшими.
Неудачи проекта объясняются сочетанием целого ряда объективных и субъективных факторов:
 ошибочная оценка тенденций развития компьютеров – перспективы развития аппаратных средств были катастрофически недооценены, а перспективы искусственного интеллекта были волюнтаристски переоценены, многие из планируемых задач искусственного
интеллекта так и не нашли эффективного коммерческого решения до
сих пор, в то время как мощность компьютеров несоизмеримо выросла;
 ошибочная стратегия, связанная с разделением задач, решаемых программно и аппаратно, проявившаяся в стремлении к постепенной замене программных средств аппаратными, что привело к излишнему усложнению аппаратных средств;
 отсутствие опыта и глубинного понимания специфики задач
искусственного интеллекта с надеждой на то, что авось увеличение
163

производительности и неведомые базовые принципы системы приведут к ее самоорганизации;
 трудности, выявившиеся по мере исследования реального
ускорения, которое получает система логического программирования
при запараллеливании процессоров. Проблема состоит в том, что в
многопроцессорной системе резко увеличиваются затраты на коммуникацию между отдельными процессорами, которые практически нивелируют выгоду от параллелизации операций, отчего с какого-то момента добавление новых процессоров почти не улучшает производительности системы;
 ошибочный выбор языков типа лисп и пролог для создания базы знаний и манипулирования данными. В 1980-е гг. эти системы программирования пользовались популярностью для САПР и экспертных
систем, однако эксплуатация показала, что приложения оказываются
малонадежными и плохо отлаживаемыми по сравнению с системами,
разработанными обычными технологиями, отчего от этих идей пришлось отказаться. Кроме того, трудность вызвала реализация «параллельного Пролога», которая так и не была успешно решена;
 низкий общий уровень технологии программирования того
времени и диалоговых средств (что ярко выявилось в 1990-е гг.);
 чрезмерная рекламная кампания проекта «национального престижа» в сочетании с волюнтаризмом и некомпетентностью высших
должностных лиц, не позволяющая адекватно оценивать состояние
проекта в процессе его реализации.
Сегодня практически каждая отрасль промышленности требует
серьезных вычислительных мощностей для внедрения новых технологических процессов, обновления производства и снижения рисков.
Поэтому высокопроизводительные вычислительные системы становятся все более востребованными как на Западе, так и в России.
Что же заставляет различные отрасли и компании прибегать к
услугам сложных вычислительных комплексов, которые называют
также суперкомпьютерами или системами для высокопроизводительных вычислений? Дело в том, что в современном мире компании
вынуждены постоянно усложнять производственные модели продуктов, чтобы повысить надежность изделий, точность изготовления, а
также снизить риски и избежать брака. И в нашей стране компании
начинают экономить на издержках, выводить на рынок более совершенные продукты, внедряя в производство сложные вычислительные
системы, и, видимо, этот путь является сегодня неизбежным. Ведь
любая более сложная, более совершенная модель требует большей
мощности для обсчета и, кроме этого, большего пространства для хранения как промежуточной информации, так и результата. Таким обра164

зом, развитие любой индустрии, будь то геодезия или фармакология,
связано с необходимостью применения сложных вычислительных систем – суперкомпьютеров. Если же рассуждать честно, само понятие
«суперкомпьютер» расплывчато настолько, насколько это вообще
возможно. Некоторые считают, что суперкомпьютер – это система,
которая входит в рейтинг самых мощных компьютеров Тор-500, который обновляется два раза в год. Существуют и другие мнения, например специалисты ИПС РАН предлагают также учитывать некоторые
модели суперкомпьютеров, которые отстают от нижнего предела Тор500 не более чем в несколько раз. Представители некоторых других
компаний считают, что суперкомпьютер – это просто любая единая
вычислительная система, которая как минимум на порядок более производительна, чем все остальные установки на предприятии, т. е. для
каждой компании критерий суперкомпьютера будет своим. Четвертый
интересный подход к вопросу определения этого термина состоит в
том, чтобы отождествить понятие суперкомпьютера и системы для
промышленных расчетов. В этом случае любая система, производящая
вычисления для инженерных пакетов и других специально созданных
моделей, например для прогноза погоды, может считаться суперкомпьютером. В общем, если речь идет о суперкомпьютере, имейте в виду, что это понятие может эксплуатироваться как угодно. Мы же в
нашем материале рассмотрим тенденции развития отрасли высокопроизводительных вычислительных систем на примере реальных
установок крупнейших российских и зарубежных компаний.
На конец 2014 г. мировой рейтинг суперкомпьютеров Тор-500
включал 9 систем в нашей стране. Производительность в Тор-500 рассчитывается по скорости решения огромных систем линейных уравнений. В этом тесте (он называется LinPack) компьютер получает задачу из тысяч уравнений с таким же количеством переменных.
Главный из российских суперкомпьютеров – кластер A-Class, созданный компанией «Т-Платформы» для Научно-исследовательского
вычислительного центра МГУ. Впервые в рейтинге TOP-500 он появился в июне этого года, а сейчас занимает в нем двадцать второе
место. Другой суперкомпьютер «Ломоносов», также разработанный
компанией «Т-Платформы» для МГУ, находится на пятьдесят восьмом
месте. Новый суперкомпьютер появился в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете. Это кластер архитектуры «РСК Торнадо», созданный Группой компаний РСК. Он занял восемьдесят первую строчку в списке Top-500. Еще один суперкомпьютер СПбГПУ RSC PetaStream находится на 390-й позиции (рис. 3.15).
Шесть российских систем вышли за пределы первой сотни. Кластер МВС-10П (№ 133) МСЦ РАН еще полтора года назад был вторым
165

среди самых мощных суперкомпьютеров на территории России и
СНГ. Кластер «Лобачевский» (№ 189) и модернизированный «РСК
Торнадо ЮУрГУ» (№ 190) завершают перечень отечественных суперкомпьютеров для научных исследований.

Рис. 3.15. Российский суперкомпьютер RSC PetaStream. Каждый шкаф содержит
1024 узла с прямым жидкостным охлаждением (rscgroup.ru)

Гибридный кластер «Лобачевский» был установлен в НОЦ
«СКТ-Приволжье» Нижегородского государственного университета
имени Н. И. Лобачевского компанией «Ниагара Компьютерс». Его
отдельные сегменты подобны модулям суперкомпьютеров «Титан» и
«Тяньхэ-2». В первом сегменте кластера используются как сопроцессоры Intel Xeon Phi 5110P, так и ускорители Nvidia Tesla K20x. Во втором вместо них установлены графические процессоры NVIDIA Tesla
M2090. Всего оба сегмента кластера объединяют сто шестьдесят гибридных вычислительных узлов. Текущий рейтинг Top-500 учитывает
данные о скорости вычислений только на девяноста однородных узлах, снятые совместно со специалистами Nvidia. Каждый такой узел
содержит два восьмиядерных процессора Intel Xeon E5-2660 с поддержкой Hyper-Threading и три векторных ускорителя Nvidia Tesla
K20x. Пиковая производительность гибридного кластера составляет
550 терафлопс. В официальный зачет пошли результаты теста Linpack,
показавшие среднее значение 289,5 терафлопса.
166

Кластер «РСК Торнадо ЮУрГУ» был разработан для Южноуральского государственного университета. Система на базе Intel Xeon
Phi SE10X пришла на смену работающему с июня 2008 г. суперкомпьютеру «СКИФ-Аврора», чья производительность в сто терафлопс
уже выходит за рамки Top-500.
Замыкают общий список российских суперкомпьютеров два специализированных сервера для коммерческого использования. Это
двухсокетные блейд-серверы HP ProLiant BL460c Gen8. Модель на
базе Intel Xeon E5-2680v2 занимает позицию № 337, а система на основе восьмиядерных Xeon E5-2660 оказалась почти в самом конце
рейтинга (№ 457).
Суммарная мощность всех высокопроизводительных систем в
Top-500 на ноябрь 2014 г. превысила 309 петафлопс.
Рейтинг на этот период возглавляла система Tianhe-2, разработанная в Китайском национальном университете оборонных технологий. В то же время по количеству эксплуатируемых вычислительных
систем лидирует США (231 система). В США установлены 6 из 10
самых мощных систем. Европа имеет 130, Азия – 120 систем. Россия
занимает 9-е место.
С момента первой публикации в июне 1993 г., список Top-500
служил общепринятой мерой производительности суперкомпьютеров.
Самые мощные вычислительные системы со всего мира тестировались
в Linpack и ранжировались в соответствии с полученными результатами. В последние два года наметился общий спад: темпы прироста
средней производительности неуклонно снижаются от списка к списку.
Стагнация в первой десятке резко контрастирует с постоянной
сменой позиций в средней и особенно финальной части списка. Это
может восприниматься как признак переориентирования производителей на сегмент малых суперкомпьютерных систем и как временное
достижение рационального предела в наращивании мощности отдельных кластеров.
Суперкомпьютерная программа СКИФ
В действительности, именно рассматривая применение высокопроизводительных вычислительных систем в промышленности и
науке, очень интересной выглядит СКИФ – суперкомпьютерная программа союзного государства, которая поддерживается как Министерством промышленности, науки и технологий Российской Федерации,
так и Национальной академией наук Белоруссии, в партнерстве с российским Институтом программных систем (ИПС) РАН и многими
другими компаниями, со списком которых можно ознакомиться на
сайте проекта http://skif.bas-net.by/. Идея этой программы состоит в
167

том, чтобы создать унифицированный дизайн установок, пригодных
для развития промышленности в странах СНГ. Надо сказать, что разработчикам это удалось, и сегодня, кроме СКИФ К-1000, существуют
также типизированные кластеры СКИФ К-500, обладающие более чем
терафлопной производительностью по стандартному тесту LinPack.
Более мелкие инсталляции отточенной конфигурации СКИФа уже
сегодня применяются на некоторых предприятиях российской промышленности, так сказать, демонстрируя реализацию самой программы.
Интересно также, что российские разработчики серьезно поработали над архитектурой СКИФа. Сегодня любая установка СКИФ
представляет собой мощный кластер на процессорах AMD Opteron,
который состоит из двухпроцессорных узлов. Для управления системой используется специализированная разработка ИПС РАН – сервисная сеть. Она позволяет контролировать включение и работу узлов, не
задействуя ни коммутационную, ни транспортную сети. Кроме этого, с
системами СКИФ ИПС РАН поставляет специальные программные разработки, в том числе специализированную версию ОС Linux. В любом
случае российско-белорусские кластеры отличаются достаточно высокой
производительностью и управляемостью, и при этом относительно небольшой ценой (по сравнению с продуктами компаний А-бренд).
Что же, как мы видим, системы суперкомпьютерных вычислений
в России продолжают развиваться и, что примечательно, специалисты
нашей страны оказались достаточно амбициозны, чтобы создать собственный рейтинг и отслеживать развитие отрасли в целом, а не только 4–5 лучших систем, играющих в мировом масштабе.

3.5. IBM
Крупнейшим мировым производителем компьютеров, компьютерных устройств и программного обеспечения в течение большого
числа лет является американская корпорация IBM (International Business Machines, IBM).
Компания, которая известна сейчас под именем IBM, была основана 15 июня 1911 г. и называлась C-T-R (Computing-TabulatingRecording). Она включила в себя Computing Scale Company of America,
Tabulating Machine Company (TMC – бывшая компания Германа Холлерита) и International Time Recording Company. В мае 1914 г. генеральным управляющим компании C-T-R стал Томас Уотсон (Thomas
Watson, 17 февраля 1874 –19 июня 1956).
Распространенное прозвище компании – Big Blue, что можно перевести с английского как «большой синий» или «голубой гигант».
Существует несколько версий относительно этого прозвища. По одной
168

из них название произошло от мэйнфреймов, поставляемых компанией в 1950–1960-х гг. Эти мэйнфреймы были размером с комнату и
имели голубую окраску. По другой теории прозвище просто ссылается
на логотип компании. Еще одна версия утверждает, что это название
идет от бывшего дресс-кода компании, который требовал от многих
своих работников ношения рубашек и костюмов голубого цвета. Также есть версия, что название появилось после показа по американскому ТВ в начале 1980-х гг. ролика, рекламирующего персональные
компьютеры, которые по сюжету были проворнее и побеждали гиганта, одетого в голубые одежды.
В 1896 г. на территории США проходила перепись населения.
Для обработки ее результатов впервые был применен «электрический
табулятор», изобретенный Германом Холлеритом. Благодаря ему,
данные переписи удалось обработать всего за 3 месяца вместо ожидаемых 24. Воодушевленный успехом изобретатель открывает в 1896 г.
компанию Tabulating Machine Company.
В годы Великой депрессии «удержаться на плаву» IBM помогли
только многомиллионные доходы. Несмотря на кризис, президент
компании Томас Уотсон продолжает финансировать исследования и
выплачивать рабочим зарплату. Выйти из кризиса IBM помогли крупные заказы правительства США в 1935–1936 гг. В годы Второй мировой войны компания производила стрелковое оружие (М1 Carbine и
Browning Automatic Rifle). 1950-е гг. – проекты для ВВС и авиалиний.
В 1943 г. началась история компьютеров IBM – был создан
«Марк I» весом около 4,5 т. Но уже в 1952-м появляется «IBM 701»,
первый большой компьютер на лампах. В 1956 г. сын Томаса Уотсона,
Томас Уотсон-младший, сменил отца на посту главы IBM, ознаменовав начало эры компьютеров для жизни. Под его руководством доходы компании выросли до 8 млрд долл., а число сотрудников – до
270 тыс. человек.
В 1959 г. появились первые компьютеры IBM на транзисторах, достигшие такого уровня надежности и быстродействия, при котором ВВС
США сочли возможным использовать их в системе раннего оповещения
ПВО. Чуть раньше, в 1957 г., IBM ввела в обиход язык FORTRAN
(«FORmula TRANslation»), применявшийся для научных вычислений и
ставший одним из основных источников «ошибки 2000 г.».
В 1971 г. компания представила гибкий диск, который стал стандартом для хранения данных.
В 1972 г. был представлен обновленный логотип (буквы из синих
полосок) компании, используемый до настоящего времени. Над логотипом работал дизайнер Пол Рэнд (Paul Rand).
169

1981 г. прочно вошел в историю человечества как год появления
персонального компьютера «IBM PC». 64 килобайт оперативной памяти и одного или двух флоппи-дисководов вполне хватало, чтобы
исполнять операционную систему DOS, предложенную небольшой
компанией Microsoft, и некоторое количество приложений.
Примечательно, что этой машине руководство компании поначалу совершенно не придавало значения: разработкой занималась группа
всего в 4 человека (под руководством Филиппа Дональда Эстриджа).
И – что имело самые заметные последствия – вопреки своим жестким
принципам охраны интеллектуальной собственности, IBM не запатентовала ни DOS (с интерпретатором языка BASIC), ни еще одно революционное изобретение разработчиков: BIOS. В результате более прозорливые сторонние разработчики, пользуясь опубликованными спецификациями, наделали клонов IBM PC, и значительная доля этого
быстрорастущего рынка была для IBM потеряна.
В 1986 г. IBM уступила 1-е место по продажам на ею же самой
порожденном рынке персональных компьютеров.
В 1990-х в бизнесе IBM все отчетливее прослеживалось стремление сместить фокус бизнеса в сторону поставки услуг, в первую очередь консалтинга. Наиболее ярко это проявилось в 2002 г., когда «голубой гигант» приобрел консалтинговое подразделение аудиторской
компании PricewaterhouseCoopers за 3,5 млрд долл. В настоящее время
этот бизнес, влившийся в подразделение IBM Global Services, является
самым доходным в структуре IBM, приносящим больше половины
дохода компании.
В 2009 г. в IBM насчитывалось более 398 тыс. сотрудников в 170
странах. Общий оборот составил ~100 млрд долл.
Ключевыми подразделениями IBM являются:
 IBM Global Services (IGS, консалтинговое отделение), принесло компании 47,357 млрд долл. дохода из 91,134 млрд всего в 2005 г.;
 Systems and Technology Group (STG, отделение по производству оборудования), принесло компании 23,857 млрд долл. дохода из
91,134 млрд долл. всего в 2005 г.;
 Software Group (отделение по разработке ПО), принесло компании 15,753 млрд долл. дохода из 91,134 млрд всего в 2005 г.
IBM разрабатывает программное обеспечение: операционные
системы OS/400, z/OS, PC-DOS, OS/2 и AIX, а также активно поддерживает GNU/Linux; файловые системы GPFS, HPFS, CFS, JFS, JFS2;
система управления базами данных DB2; Lotus Notes/Domino; офисный пакет Lotus SmartSuite; средства моделирования IBM Rational;
IBM WebSphere; системы управления системами Tivoli; серию компиляторов и сред разработки VisualAge (например, VisualAge C++,
170

VisualAge Smalltalk и т. д.), а также активно поддерживает Eclipse,
преемник этих сред.
Внутренняя корпоративная компьютерная сеть IBM признана
одной из лучших в 2006 г. агентством Nielsen Norman Group.
IBM производит компьютеры и устройства: серверы hi-end класса; сети хранения данных; специализированные суперкомпьютеры:
Deep Blue, Blue Gene и т. д. мейнфреймы IBM System/360|/370|/390,
Mainframe servers: zSeries.
Научные и технические разработки IBM составляют архитектуры
центральных процессоров для трех игровых приставок нового (2006)
поколения: Sony PlayStation 3 (Cell), Nintendo Wii (Broadway) и Microsoft Xbox 360 (трехъядерный PowerPC).
В России IBM в 2006 г. открыла исследовательскую лабораторию, которая стала использовать опыт российских инженеров для разработки технологий мэйнфреймов (высокопроизводительных компьютеров). Также проводится проект «Технологическая школа IBM».
Конкуренция с IBM и желание ее превзойти послужило для многих начинающих компаний мощным толчком для собственного развития. В разное время с IBM конкурировали еще только начинавшие
компании DEC, Intel, Microsoft, Compaq и некоторые другие.
Влияние IBM на развитие российских информационных технологий:
 ЕС ЭВМ напрямую и творчески скопированы с компьютеров
IBM/360;
 ЕС ПЭВМ – аналоги персональных компьютеров IBM;
 операционные системы ЕС ЭВМ были как минимум совместимыми с соответствующими операционными системами IBM.
Значительные разработки IBM в отрасли информационных технологий:
 Марк I (компьютер) (1943) – первый американский компьютер;
 первый коммерческий жесткий диск (1956);
 IBM/360 (1964) – принято считать основателем целого класса
компьютеров – «мейнфреймы»;
 SQL;
 IBM PC – персональный компьютер, архитектура которого стала стандартом де-факто для отрасли на 80-е и 90-е гг. XX в. и первое
десятилетие XXI в. Открытая архитектура IBM PC во многом способствовала огромному успеху IBM PC, массовому выпуску PCсовместимых клонов множеством компаний и в конечном итоге наступлению эры персональных компьютеров и компьютерной революции.

171

3.6. Нанотехнологии в вычислительной технике
В ожесточенной войне за лидерство в нанотехнологиях и создании нанокомпьютеров наша страна пока что хранит строгий недальновидный нейтралитет. Успехи отечественных нанотехнологов выглядят более чем скромно по сравнению с достижениями их коллег из
Японии, США, Франции, Англии. Нельзя сказать, чтобы отставание
было полным и по всем фронтам, но по части массового производства
оно абсолютно объективно. С уникальными изделиями ситуация несколько лучше. Сделать нечто совсем маленькое с помощью сфокусированного ионного пучка или иглы атомно-силового микроскопа сегодня не проблема. Тем более что существует отечественное производство разного рода сканирующих зондовых микроскопов и прочих
устройств для работы с наноразмерными объектами. Проблема сделать так, чтобы это миниатюрное изделие можно было воспроизвести
в количестве сотен миллионов работоспособных экземпляров. Как
известно, технология начинается тогда, когда на выходе получаешь
миллиард транзисторов и все они работают.
Современный процессор, изготовленный по 22 нм технологии,
как раз и является таким высокотехнологичным продуктом, в котором
хрупкое и уникальное стало массовым и надежным. И если еще несколько лет назад не вполне верилось в переход на 45 нм технологию,
то сегодня Intel уже изготовляет процессоры по технологии 14 нм и
планирует к 2016 г. перейти на 10 нм-технологию.
Возможности для такого бурного технического развития дают
фундаментальные исследования в области нанотехнологий. В Японии,
например, с 1987 г. изучают одноэлектронные транзисторы и преуспели в их изучении настолько, что начали изготавливать логические
элементы и бистабильные туннельные структуры с рабочей областью
размером в несколько нанометров.
Нанотехнологии могут использоваться не только в производстве
электронного оборудования. В перспективе предполагается их применение в следующих сферах деятельности:
 медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые
«жили» бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых,
включая повреждения генетические. Прогнозируемый срок реализации – первая половина нынешнего века;
 геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет
внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также обеспечивающих перестройку и «облагоражи172

вание» тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех
безнадежно больных людей, которые были заморожены методами
крионики. Прогнозируемый срок реализации – последняя четверть
нынешнего века;
 промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые практические результаты могут быть получены в ближайшие 10–20 лет;
 сельское хозяйство. Замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами –
комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те
же химические процессы, что происходят в живом организме, однако
более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молоко» будут
удалены все лишние звенья. Останутся «почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо, все что угодно)». Подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться
в тяжелом физическом труде. А производительности его будет достаточно, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. По
разным оценкам, первые такие комплексы могут быть созданы во второй – четвертой четвертях нынешнего столетия;
 биология. Станет возможным внедрение в живой организм на
уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от восстановления вымерших видов до создания новых типов живых существ, а также биороботов. Прогнозируемый срок реализации – середина столетия;
 экология. Полное устранение вредного влияния деятельности
человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации – середина столетия;
 освоение космоса. По-видимому, освоению космоса человеком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия молекулярных роботов может быть также выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком, сделав пригодными для обитания Луну, ближайшие планеты,
астероиды, соорудит из подручных материалов (метеоритов, комет)
173

космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов;
 кибернетика и вычислительная техника. Произойдет переход
от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшатся до размеров молекул.
Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцевых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковоподобных молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным переселение человеческого интеллекта в
компьютер. Прогнозируемый срок реализации – ближайшие 15–30 лет.
За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты
окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Однако ожидать реализации подобной ситуации, по-видимому, стоит не ранее следующего века.

174

Глава 4

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ЭВМ
В ОБОРОННЫХ ПРОЕКТАХ

Компьютеры и цифровая техника настолько прочно вошли в
нашу жизнь, что сейчас воспринимаются как данность. И мало кто
задает себе вопросы, кем и каким трудом был проложен путь к современным информационным технологиям. К сожалению, за годы искусственно созданной информационной закрытости государства в сознании многих людей сложился стереотип национального компьютерного
нигилизма. Между тем, зная факты развития науки и техники не понаслышке, можно смело говорить о наличии глубоких корней и традиций отечественного компьютеростроения, имевшихся у нас достижений мирового уровня в этой области.
Осознанию истинных масштабов участия наших соотечественников
в мировой компьютерной истории призван способствовать рассказ о
вкладе академика Сергея Алексеевича Лебедева в становление электроники и вычислительной техники как в нашей стране, так и в мире.

***
Сергей Алексеевич Лебедев родился 2 ноября
1902 г. в Нижнем Новгороде в семье учителя. В 1921 г.
он сдал экзамены за курс средней школы и поступил в
Московское
высшее
техническое
училище
им.
Н. Э. Баумана (МВТУ), которое окончил в 1928 г. Его
дипломная работа, выполненная под руководством
выдающегося ученого К. А. Круга, была посвящена проблеме устойчивости параллельной работы электростанций и имела большое научное и практическое значение. По окончании института С. А. Лебедев стал преподавателем МВТУ и одновременно сотрудником Всесоюзного
электротехнического
института
им.
В. И. Ленина (ВЭИ), сначала младшим научным сотрудником, руководителем группы, затем руководителем
Лаборатории электрических сетей. В 1933 г. совместно с А. С. Ждановым
С. А. Лебедев опубликовал монографию «Устойчивость параллельной работы
электрических систем». В 1935 г. он получил звание профессора, в 1939 г., не
будучи кандидатом наук, защитил докторскую диссертацию, связанную с разработанной им теорией искусственной устойчивости энергосистем. В течение 10
лет С. А. Лебедев руководил отделом автоматики ВЭИ. В этом отделе начинали

175

работу многие известные ученые: Д. В. Свечарник, А. Г. Иосифьян, А. В. Михайлов, А. В Фельдбаум, Н. Н. Шереметьевский и др.
Во время войны С. А. Лебедев разработал систему стабилизации танкового орудия при прицеливании, принятую на вооружение, аналоговую систему
автоматического самонаведения на цель авиационной торпеды. В 1945 г. ученый создал первую в стране электронную аналоговую вычислительную машину
для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, которые
часто встречаются в задачах, связанных с энергетикой.
В 1946 г. С. А. Лебедев был приглашен в Академию наук Украины на
должность директора Института энергетики. Через год Институт энергетики разделился на два, и С. А. Лебедев стал директором Института электротехники АН
Украины. Здесь совместно с Л. В. Цукерником С. А. Лебедев выполнил исследования по управлению энергосистемами и разработку устройств автоматики,
повышающих устойчивость энергосистем. В 1950 г. С. А. Лебедеву и
Л. В. Цукернику была присуждена Государственная премия СССР.
Решая задачи электротехники и энергетики с помощью аналоговых вычислительных машин, С. А. Лебедев пришел к постановке задачи создания
цифровой машины. С осени 1948 г. он начал разработку Малой электронной
счетной машины (МЭСМ). Для определения набора операций МЭСМ он пригласил приехать в Киев А. А. Дородницына и К. А. Семендяева. Основы построения
МЭСМ обсуждались в январе – марте 1949 г. на созданном С. А. Лебедевым
семинаре,
в
котором
участвовали
М. А. Лаврентьев,
Б. В. Гнеденко,
А. Ю. Ишлинский, А. А. Харкевич и сотрудники лаборатории С. А. Лебедева. К
концу 1949 г. определилась принципиальная схема блоков машины. В 1950 г.
МЭСМ была смонтирована в двухэтажном здании бывшего монастыря в
Феофании (под Киевом), где размещалась лаборатория С. А. Лебедева. В
конце 1951 г. МЭСМ прошла испытания и была принята в эксплуатацию Комиссией АН СССР во главе с академиком М. В. Келдышем. В состав комиссии входили академики С. Л. Соболев, М. А. Лаврентьев, профессора
К. А. Семендяев, А. Г. Курош.
В 1952 г. на МЭСМ решались важнейшие научно-технические задачи из
области термоядерных процессов (Я. Б. Зельдович), космических полетов и
ракетной техники (М. В. Келдыш, А. А. Дородницын, А. А. Ляпунов), дальних
линий электропередач (С. А. Лебедев), механики (Г. Н. Савин), статистического
контроля качества (Б. В. Гнеденко). В 1950 г., когда был опробован макет МЭСМ,
подобная машина работала лишь в Англии – ЭДСАК М. Уилкса, (1949), причем в
ЭДСАК арифметическое устройство было последовательным.
После МЭСМ началось создание специализированной ЭВМ СЭСМ для
решения систем алгебраических уравнений. Ее главным конструктором был
З. Л. Рабинович. Основные идеи построения СЭСМ выдвинул С. А. Лебедев. В
1950 г. С. А. Лебедев начал разработку БЭСМ АН СССР. В марте 1950 г. он был
назначен заведующим лабораторией Института точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ), директором которого стал М. А. Лаврентьев.
Разработку арифметического устройства БЭСМ С. А. Лебедев поручил
П. П. Головистикову, а устройства управления – К. С. Неслуховскому. Над БЭСМ
трудились и студенты-практиканты из вузов, выполнившие дипломные работы –
макетирование отдельных блоков и описание соответствующих разделов эскизного проекта БЭСМ: В. С. Бурцев, В. А. Мельников, А. Г. Лаут, И. Д. Визун,
А. С. Федоров и Л. А. Орлов. В апреле 1951 г. Государственная комиссия под
председательством М. В. Келдыша приняла эскизные проекты машин БЭСМ и
«Стрела». В I квартале 1953 г. БЭСМ была налажена, а в апреле 1953 г. принята
Государственной комиссией в эксплуатацию. В связи с дефицитом электронных
трубок, которые поставлялись тогда только для «Стрелы», первые три года

176

БЭСМ эксплуатировалась с памятью на акустических ртутных трубках, что снижало ее быстродействие в несколько раз. В 1956 г. БЭСМ была принята Государственной комиссией вторично – с памятью на потенциалоскопах.
В 1956 г. доклад С. А. Лебедева о БЭСМ на международной конференции
в Дармштадте произвел сенсацию – БЭСМ была на уровне лучших американских машин и самой быстродействующей в Европе. В 1958 г. БЭСМ с памятью
на ферритовых сердечниках емкостью 2048 слов передали в серийное производство, она выпускалась под названием БЭСМ-2 заводом им. Володарского.
В 1953 г. по рекомендации М. А. Лаврентьева, ставшего вице-президентом
АН СССР, С. А. Лебедев был назначен директором ИТМиВТ. В 1953 г. его избрали действительным членом АН СССР. На банкете по поводу избрания новых
членов Академии С. О. Шмидт сказал: «Сегодня мы выбрали в академики двух
замечательных ученых – С. А. Лебедева и А. Д. Сахарова» [39].
В 1955 г. С. А. Лебедев начал разработку М-20 (цифра в названии указывала на ожидаемое быстродействие – 20 тыс. операций в секунду). Такой скорости вычислений тогда не имела ни одна машина в мире. Постановлением Правительства СССР создание М-20 было поручено ИТМиВТ и СКБ-245.
С. А. Лебедев стал главным конструктором, М. К. Сулим (СКБ-245) – его
заместителем. Идеологию и структуру М-20 разрабатывал С. А. Лебедев, систему команд – М. Р. Шура-Бура, схемотехнику элементной базы – П. П. Головистиков. М. К. Сулим руководил разработкой технической документации и
изготовлением опытного образца в СКБ-245. В 1958 г. Государственная комиссия приняла М-20 и рекомендовала ее в серийное производство. Впервые в
отечественной практике в М-20 С. А. Лебедевым с целью повышения производительности были реализованы автоматическая модификация адреса, совмещение работы арифметического устройства и выборки команд из памяти, введение буферной памяти для массивов данных, выдаваемых на печать, совмещение ввода и вывода данных со счетом, использование полностью синхронной
передачи сигналов в логических цепях. Позднее были разработаны полупроводниковые варианты М-20, реализующие ту же архитектуру: М-220 и М-222 (главный конструктор – М. К. Сулим); БЭСМ-3М и БЭСМ-4 (главный конструктор –
О. П. Васильев). ИТМиВТ после завершения работ по ламповым БЭСМ-2 и М-20
начал проектирование полупроводниковой БЭСМ-6, которая обладала быстродействием 1 млн операций в секунду. Главным конструктором БЭСМ-6 был
С. А. Лебедев, заместителями – его ученики В. А. Мельников и Л. Н. Королев.
В 1967 г. Государственная комиссия под председательством М. В. Келдыша приняла БЭСМ-6 с высокой оценкой и рекомендовала ее к серийному
производству. БЭСМ-6 имела полное программное обеспечение. В его создании
принимали участие многие ведущие программисты страны. По инициативе и при
активном участии С. А. Лебедева в ходе разработки на ЭВМ БЭСМ-2 было проведено моделирование будущей машины с помощью программных моделей. На
основе БЭСМ-6 были созданы вычислительные центры коллективного пользования для научных организаций, системы автоматизации научных исследований
в ядерной физике и других областях науки, информационно-вычислительные
системы обработки информации в реальном времени. Она использовалась для
моделирования сложнейших физических процессов и процессов управления, в
системах проектирования программного обеспечения для новых ЭВМ. БЭСМ-6
выпускалась Московским заводом счетно-аналитических машин (САМ) в течение 17 лет. За разработку и внедрение БЭСМ-6 ее создатели (из ИТМиВТ –
С. А. Лебедев, В. А. Мельников, Л. Н. Королев, Л. А. Зак, В. Н. Лаут, В. И. Смирнов, А. А. Соколов, А. Н. Томилин, М. В. Тяпкин, от завода САМ – В. А. Иванов,
В. Я. Семешкин) были удостоены Государственной премии. ИТМиВТ совместно
с заводом САМ на основе БЭСМ-6 разработал вычислительную систему АС-6,

177

модульная организация и унифицированные каналы обмена которой обеспечивали возможность построения децентрализованных многомашинных вычислительных комплексов. В АС-6 была обеспечена эффективная реализация трансляторов с языков программирования высокого уровня, многоуровневая система
защиты памяти на основе механизмов стека состояния. Операционная система
АС-6, построенная по принципу децентрализации, обеспечивала функционирование в режимах пакетной обработки, удаленной пакетной обработки, разделения времени, реального времени. АС-6 использовалась для обработки данных и
управления в системах космических экспериментов, а также в ряде вычислительных центров крупных научно-исследовательских организаций.
Специализированные ЭВМ, созданные под руководством С. А. Лебедева
для системы противоракетной обороны, стали основой достижения стратегического паритета СССР и США в период «холодной войны». В 1952–1955 гг. учеником С. А. Лебедева В. С. Бурцевым были разработаны специализированные
ЭВМ «Диана-1» и «Диана-2» для автоматического съема данных с радиолокатора и автоматического слежения за целями. Затем для системы ПРО, генеральным конструктором которой был Г. В. Кисунько, в 1958 г. была предложена ламповая ЭВМ М-40, а немного позднее М-50 (с плавающей точкой). Возможность
поражения баллистических ракет, обеспеченная ПРО, заставила США искать
пути заключения договора с СССР об ограничении ПРО, который появился в
1972 г. Создатели первой системы ПРО получили Ленинскую премию. Среди
них были Г. В. Кисунько, С. А. Лебедев и В. С. Бурцев.
Увидеть выпуск следующей серии высокопроизводительных ЭВМ, которые разрабатывал ИТМиВТ, С. А. Лебедеву не довелось. Сергей Алексеевич
Лебедев умер 3 июля 1974 г. в Москве. Он похоронен на Новодевичьем кладбище.
Имя С. А. Лебедева теперь носит ИТМиВТ. Ученики С. А. Лебедева создали свои научные школы и коллективы.
По словам президента Российской академии наук академика
Ю. С. Осипова, уникальные разработки С. А. Лебедева «определили столбовую
дорогу мирового компьютеростроения на несколько десятилетий вперед» [42].
Именно академик Лебедев создал в тяжелые послевоенные годы первую отечественную ЭВМ и последующие все более и более производительные вычислительные машины. Появление электронно-вычислительных машин стало научнотехнической революцией, кардинально изменившей развитие общества.

4.1. Научный подвиг С. А. Лебедева
Любому значительному научному открытию предшествуют годы
неустанного поиска и труда. По окончании МВТУ им. Баумана в
1928 г. Сергей Алексеевич посвятил себя работе в области электротехники. Результаты его работ были использованы при вводе в эксплуатацию первых отечественных электростанций и высоковольтных
линий передач. Уже в 1939 г. С. А. Лебедев, минуя кандидатскую, защитил докторскую диссертацию по теории искусственной устойчивости энергосистем.
После нападения Германии на Советский Союз будущий академик записался добровольцем в ополчение, но из-за стратегической
важности выполняемых работ на фронт его не отпустили. Лебедев
продолжил исследования и во время войны разработал самонаводя178

щуюся на излучающие или отражающие излучение цели торпеду, а
также систему автоматического самонаведения на цель авиационной
торпеды и систему стабилизации танкового орудия при прицеливании.
Создание таких систем требовало проведения колоссального
объема вычислений. Именно это обстоятельство привело ученого к
пониманию необходимости автоматизации вычислительных процессов. В 1945 г. С. А. Лебедев создает первую аналоговую вычислительную машину для решения системы обыкновенных дифференциальных
уравнений. Сергей Алексеевич обладал по-настоящему большой смелостью и верил в свои силы. В 45 лет, будучи уже известным ученым,
он занялся совершенно новым направлением – созданием вычислительной техники.
Увлеченность Сергея Алексеевича новым делом была такой всепоглощающей, что когда в 1948 г. его пригласили выступить на Парижской международной конференции по большим электроэнергетическим системам, он, подготовив доклад «Искусственная устойчивость синхронных машин», доверил прочитать этот труд другому человеку. А сам на конференцию не поехал – настолько погрузился в
разработку принципов действия электронной счетной машины.
Как известно, за рубежом принципы компьютеростроения и
электронного счета разработал фон Нейман, классическая архитектура
компьютера так и называется «фон-неймановская». Научный подвиг
Лебедева заключается в том, что в условиях информационной замкнутости тех лет Сергей Алексеевич пришел к тем же выводам, что и фон
Нейман, но на полгода раньше.
Разработанные теоретические выкладки позволили Сергею
Алексеевичу перейти к практической работе. Первым значимым результатом стала Малая электронная счетная машина (МЭСМ), которая
в 1951 г. была принята комиссией в эксплуатацию, а в 1952 г. на ней
уже решались важные научно-технические задачи из области термоядерных процессов, космических полетов, ракетной техники, дальних
линий передач и проч. В Киеве, в Национальной академии наук Украины, где создавалась МЭСМ, сохранилась конструкторская документация и папки с материалами о первой отечественной ЭВМ, большая
часть из которых составлена С. А. Лебедевым. Чьей-то рукой более
50 лет назад на них было написано: «Хранить вечно».
Параллельно с завершающим этапом работ над МЭСМ в 1950 г.
была начата разработка первой Большой (впоследствии переименованной в Быстродействующую) электронно-счетной машины. Разработка БЭСМ велась уже в Москве, в лаборатории ИТМиВТ, которую
возглавил С. А. Лебедев. И здесь проявился его научный талант как
конструктора-практика.
179

В те годы не было собственной элементной базы, необходимых
конструкций под вычислительные блоки, охладительных систем. Приходилось самим изготавливать шасси и стенды, сверлить и клепать,
монтировать и отлаживать различные варианты триггеров, счетчиков
сумматоров, проверять их на надежность в работе.
Сергей Алексеевич всегда был в центре этих работ, часто с паяльником в руках перепаивал схемы, внося в них необходимые изменения, исправлял найденные неполадки. Он безошибочно находил
вышедшие из строя радиолампы и детали. После насыщенного трудового дня С. А. Лебедев до 3–4 ч ночи просиживал за пультом или осциллографом, отлаживая машину.
Напряженная интеллектуальная работа и перегруженный график
тем не менее не мешали ученому в любой ситуации сохранять спокойствие и рассудительность. Когда в институте случился локальный пожар на первом этаже, где располагалась уже собранная и подготовленная к госиспытаниям БЭСМ, Сергей Алексеевич, не теряя ни секунды, произнес: «Выключайте все электричество». Машина не пострадала. Возможно, решительность ее создателя и спасла тот первый
экземпляр легендарной ЭВМ.
У С. А. Лебедева талант ученого-исследователя совмещался с
замечательными способностями организатора и вдохновителя работ.
Он умел подобрать сильную команду, увлечь ее работой и сконцентрировать все усилия для решения общей задачи. В 50-е гг., когда у
измученной войной страны не хватало научных кадров, Лебедев сделал ставку на молодежь – и не ошибся. Он собрал вокруг себя талантливых студентов – дипломников и выпускников МГТУ, МИФИ,
МФТИ. Для учеников С. А. Лебедева разработка БЭСМ стала стартом
научной деятельности, впоследствии многие из них стали известными
учеными, академиками.
В музее ИТМиВТ сохранилась половинка тетрадного листа из
рукописи Сергея Алексеевича – на ней подробно изложена структурная схема и календарный план разработки БЭСМ. Удивительно, что
вся машина, в реальности занимавшая около ста квадратных метров,
уместилась на небольшом листке бумаги. Но для этого потребовалось
огромное напряжение интеллектуальных и физических сил – обоснование и теоретические выкладки по БЭСМ заняли у Лебедева десятки
толстых тетрадей.
В итоге колоссальный труд был вознагражден победой – задуманная ЭВМ была создана. Первый запуск БЭСМ состоялся осенью
1952 г., а госиспытания она прошла в 1953 г. В том же году Лебедев
стал директором Института точной механики и вычислительной техники и действительным членом АН СССР по Отделению физико180

математических наук. Он стал первым академиком по специальности
«счетные устройства».
Знаменательный факт истории – представленный С. А. Лебедевым в октябре 1955 г. в Дармштадте (ФРГ) на Международной конференции по электронным счетным машинам доклад о наших достижениях произвел сенсацию – БЭСМ была признана самой быстродействующей машиной в Европе. Ее быстродействие оказалось рекордным – 8 тыс. оп/с.
Ученик Сергея Алексеевича академик В. А. Мельников в своих
воспоминаниях подчеркивает: «Гениальность С. А. Лебедева состояла
именно в том, что он ставил цель с учетом перспективы развития
структуры будущей машины, умел правильно выбрать средства для ее
реализации применительно к возможностям отечественной промышленности» [42].
После триумфальной победы БЭСМ, под руководством Лебедева
сразу начались работы над следующей версией ЭВМ с улучшенными
характеристиками: повышенным быстродействием, большей памятью,
увеличенным временем устойчивой работы. Так появились следующие версии семейства БЭСМ – БЭСМ-2, БЭСМ-3М, БЭСМ-4. Эти
машины уже выпускались серийно на Заводе счетно-аналитических
машин сначала по несколько десятков экземпляров – затем сотнями.
Лучшей в серии БЭСМ по праву стала знаменитая БЭСМ-6 –
первый в мире серийный «миллионник» (1 млн оп/с). Главный конструктор реализовал в ней множество революционных для того времени решений, благодаря чему машина пережила три поколения вычислительной техники и выпускалась 17 лет. За это время было произведено около 450 машин, что является абсолютным рекордом для
ЭВМ класса «суперкомпьютер». До настоящего времени сохранился
последний экземпляр БЭСМ-6, работающий под Санкт-Петербургом в
Учебном центре Военно-морского флота. Разработка БЭСМ-6 – это
яркий пример свойственного школе С. А. Лебедева творческого подхода к созданию ЭВМ, учитывающего все возможности технической
базы, математического моделирования структурных решений, а также
производства для достижения наилучших характеристик машины. Не
стоит забывать, что производство вычислительных машин БЭСМ создало реальные условия для появления нескольких отечественных
школ по разработке программного обеспечения для этих оригинальных по своей архитектуре ЭВМ.
Велика роль ученого и в области разработки математического
обеспечения ЭВМ. Сергей Алексеевич Лебедев одним из первых понял значение системного программирования и важность сотрудничества программистов-математиков и инженеров по созданию вычисли181

тельных систем, включающих как неотъемлемую часть программное
обеспечение. По его инициативе в ИТМиВТ была организована лаборатория математического обеспечения, выполнявшая разработку системного ПО для всех систем, создававшихся в институте.
Творческой энергии Сергея Алексеевича хватало на ведение как
научных проектов, так и специализированных, предназначенных для
оборонных целей. Для укрепления стратегического паритета государства в ИТМиВТ была разработана линейка ЭВМ М-20, М-40, 5Э92, на
базе которых построили первую систему Противоракетной обороны
(ПРО) Москвы.
В марте 1961 г. прошли успешные государственные испытания
первого противоракетного комплекса – неоднократно удавалось сбить
реальную баллистическую боеголовку объемом 0,5 куб. м практически
прямым попаданием. По словам очевидцев, во время первых испытаний произошла заминка, ставшая, наверное, одним из самых драматических моментов в жизни С. А. Лебедева и участвовавших в испытаниях
сотрудников. Цель была запущена, ее вели все локаторы. Программист
нажимает кнопку, отметка цели на экране. Следом пуск противоракеты,
ее полет должен был продлиться 3 мин, и тут происходит сбой в ЭВМ.
Однако за две минуты неисправность устраняется силами сотрудника ИТМиВТ Андрея Михайловича Степанова, и противоракета,
наведенная с помощью вычислительной сети, сбивает баллистическую
ракету. На экране ЭВМ высвечивается надпись: «Подрыв цели». На
следующий день данные кинофоторегистрации подтвердили: головная
часть баллистической ракеты развалилась на куски.
Еще один интересный факт: первую компьютерную сеть создал
Лебедев на полигоне Сары-Шаган в 1956 г., как раз при испытаниях комплекса ПРО. Американцы как-то узнали об этом и начали работу над созданием сети, ставшей впоследствии Всемирной паутиной – Интернетом.
На базе БЭСМ-6 был создан многомашинный вычислительный
комплекс АС-6, который в течение 15 лет использовался в центрах
управления полетами космических аппаратов для обработки информации в реальном времени. Так, в 1975 г. при совместном полете космических кораблей «Союз» и «Аполлон» наш АС-6, обрабатывая информацию, обсчитывал данные по траектории полета за 1 минуту, в то
время как у американской стороны такой расчет занимал полчаса.
Ни один из типов машин С. А. Лебедева не являлся копией какой-либо иностранной ЭВМ, все создавалось на собственной научной
базе, с применением оригинальных подходов к решению теоретических и прикладных задач. И в этом проявление высоких интеллектуальных способностей действительно выдающегося русского ученого и
его научный подвиг.
182

Сергей Алексеевич был человеком скромным и даже немного застенчивым. Однако всегда умел находить общий язык со своими молодыми коллегами, а они относились к нему с большим и искренним
уважением. В нем сочетались душевная доброта и доверие к людям,
высокая принципиальность и требовательность. Он редко повышал на
кого-нибудь голос. Если же его поручение вовремя не выполнялось,
забирал его и делал задание сам. Такое «наказание» запоминалось
лучше любых строгих выговоров.
Личный пример у С. А. Лебедева был главным принципом воспитания. В ИТМиВТ долго вспоминали такой случай. Для завершения
проекта БЭСМ оставалось очень мало времени, но были еще недоделки. Кто-то сказал: «Не успеем, мало дней осталось». Сергей Алексеевич ответил: «Успеем, есть еще ночи, ночью хорошо работать – никто
не мешает» [42]. Он работал, бывало, по трое суток, не покидая рабочего места, забывая об усталости, и своим примером увлекал других.
Соратники академика вспоминают еще один эпизод, который замечательно характеризует принципиальность С. А. Лебедева в отношении
оценки достоинств и недостатков своей работы и научных изобретений. Государственная комиссия принимала машину БЭСМ-6 в комплексе с ее программным обеспечением, что явилось новым прецедентом приемки вычислительной техники. Операционная система Д-68 к
моменту предъявления комиссии не полностью отвечала техническому заданию на ее разработку.
Отвечавший за комплекс в целом главный конструктор
С. А. Лебедев настоял на том, чтобы сами разработчики Д-68 перечислили все имеющиеся недоработки в операционной системе, хотя о
многих из них вполне можно было бы умолчать. В результате честность и объективность ученого покорила Государственную комиссию,
которая приняла комплекс в целом, предложив устранить отмеченные
разработчиками недостатки, что и было сделано в назначенный срок.
Сергей Алексеевич Лебедев умел создавать в институте атмосферу большой и дружной семьи. Многие коллеги часто бывали у него
дома на семейных праздниках, а на работу шли с таким настроением,
как приходят в родной дом. Вместе со всеми сотрудниками Сергей
Алексеевич участвовал в благоустройстве территории нового здания
ИТМиВТ на Калужском шоссе (теперь Ленинский проспект), высаживал деревья и декоративные кусты, которые цветут по весне и сейчас.
Большое внимание Сергей Алексеевич уделял развитию самостоятельности у своих учеников и сотрудников. Если предложенное
учеником решение было не хуже его наработок, то часто за основу
принималось предложение сотрудника.
183

Несмотря на доброту и мягкость в отношении коллег, современники отмечали его решительность и даже категоричность, если дело
касалось принципиальных вопросов. Как-то Лебедева вызвали в ЦК,
где ему было предложено вместо разработки собственных машин
начать копирование иностранных ЭВМ. Лебедев твердо отказался. К
сожалению, его позиция не остановила министров тех лет.
Еще одной характерной чертой С. А. Лебедева было то, что он
никогда не требовал для себя особых привилегий, полагающихся ему
по академическому статусу, никогда не отделял себя от научного коллектива. Во время тяжелых испытаний на полигоне Сары-Шаган, в
условиях проживания, далеких от комфорта, он жил там же, где и его
сотрудники, питался в той же столовой.
В напряженной интеллектуальной жизни Сергея Алексеевича
находилось место и отдыху. Когда появлялась возможность использовать отпуск, он всегда выбирал активный отдых – горный альпинизм
или поход на байдарках. Сын Лебедева Сергей, рассказывая о манере
отца отдыхать, подчеркивал, насколько С. А. Лебедев умело расходовал свои силы, выбирал равномерный ритм и спокойно шел к цели.
Такой подход «поспешать медленно» Сергей Алексеевич всегда применял и в работе, кропотливо создавая очередную ЭВМ.
Для нашей страны создание собственных вычислительных технологий было большим прорывом. Сергей Алексеевич еще в далекие
60-е гг. понимал, что электронная вычислительная техника явится одним из самых мощных средств научно-технического прогресса, окажет огромное воздействие на развитие науки, экономики и обороны
страны. Впоследствии в одной из своих статей он напишет: «Внедрение таких машин, реорганизацию умственного труда человека по их
результатам можно сравнить только с таким этапом истории человечества, как введение машинного труда взамен ручного» [39].
Первая БЭСМ стала основой серии из 6 поколений машин, внесших огромный вклад в развитие отечественной науки и техники: в
освоение космоса, в атомную промышленность, в создание противоракетной обороны. Вне всякого сомнения, без лебедевской вычислительной техники в этих отраслях сложно было бы достичь таких результатов. Этот вклад был настолько существенен, что его высоко ценили сами конструкторы, в чьих интересах создавались ЭВМ.
Академик Королев говорил, что без своевременно сделанных Лебедевым машин было бы сложно начать осваивать космос. Даже в
знаменитую формулу 3К – так журналисты называли засекреченных
ученых И. В. Курчатова, С. П. Королева и М. В. Келдыша – сведущие
люди и сами конструкторы добавляли букву Л (С. А. Лебедев, его имя
также держалось в секрете). Правомерность формулы «3К + Л» не вы184

зывает сомнений, все понимали, что без ЭВМ не могло бы быть таких
достижений. Сергею Алексеевичу Лебедеву удалось сформировать
отечественную школу исследований и разработок, которая многие годы
по ряду направлений удерживала лидирующие позиции в мире. Только с
середины 70-х гг. XX в. началось постепенное отставание от западных
разработчиков. Во многом это было связано с копированием серии IBM, а
также с наметившимся разрывом в области элементной базы.
Международное компьютерное общество IEEE Computer Society
удостоило С. А. Лебедева своей высшей наградой – медалью Computer
Pioneer Award за выдающиеся новаторские работы в области создания
вычислительной техники. На медали написано: «Сергей Алексеевич
Лебедев. Разработчик и конструктор первого компьютера в Советском
Союзе. Награжден в 1996».
Дело жизни академика Лебедева продолжает жить в его родном институте. После 40 лет успешной работы ИТМиВТ в тяжелые 90-е гг., как
и многие другие государственные институты, пережил сложные времена. Возрождение началось в 2005 г. со сменой руководства и перестройкой работы Института, будущее которого теперь видится в становлении ИТМиВТ как ведущего R&D-центра международного формата.
Сегодня научный коллектив успешно занимается разработкой
встраиваемых систем для ответственных применений, интеллектуальных
решений на базе сенсорных сетей, системного и встроенного программного обеспечения, перспективных вычислительных архитектур и т. д.
В Институте работает базовая кафедра ЭВМ, ведется подготовка
специалистов по основным направлениям: основы конструирования
ЭВМ, системы автоматизированного проектирования, компьютерные
сети и системы, архитектура специализированных вычислительных
систем и проч. Проводится работа со студентами старших курсов
МГУ и МФТИ, которые учатся на реальных проектах и многие после
защиты дипломов приходят работать в ИТМиВТ, пишут кандидатские
работы, становятся учеными.
Замечательно, что на том историческом этапе научно-технического развития, когда ЭВМ с программным управлением неизбежно
должны были появиться на свет, появился такой ученый, который
всем своим опытом предыдущих работ, своим творческим энтузиазмом, искренней верой в правоту своих идей оказался готов возглавить
становление компьютеростроения в нашей стране.
Именно сейчас, наблюдая бурное развитие индустрии электронной техники и ее проникновение буквально во все сферы науки и жизни общества, мы можем только удивляться небывалой прозорливости
Сергея Алексеевича Лебедева, сумевшего оценить зарождение судьбоносного научно-технического направления, определить, предложить
185

и реализовать основополагающие решения, увидеть перспективы их
развития и успешно руководить их воплощением.
Второй знаковой фигурой в данной области является ученик Сергея
Алексеевича академик В. С. Бурцев. Всеволод Сергеевич внес значительный вклад в создание систем управления объектами в реальном времени.
Немаловажен его вклад в развитие обороноспособности страны.

***
Всеволод Сергеевич Бурцев, 11 февраля
1927 г. – 14 июня 2005 г., Москва. В 1951 г. окончил
Московский энергетический институт. В 1962 г. защитил докторскую диссертацию по вычислительной технике в Институте точной механики и вычислительной
техники АН СССР.
С 1950 по 1986 г. работал в Институте точной
механики и вычислительной техники, с 1973 по 1984 г.
директор Института точной механики и вычислительной техники АН СССР, с 1984 по 1992 г. заместитель
директора Вычислительного центра коллективного
пользования АН СССР, с 1992 по 1995 г. директор
ВЦКП РАН, с 1995 по 1998 г. являлся директором Института высокопроизводительных вычислительных систем.
В 1976 г. был избран членом-корреспондентом АН СССР, а с 1992 г. –
действительным членом Российской Академии наук, с 1998 г. – советник Президента Российской Академии наук. Лауреат Ленинской и Государственной премий.
Всеволод Сергеевич Бурцев являлся крупнейшим специалистом в нашей
стране в области создания высокопроизводительных вычислительных машин и
комплексов как универсального, так и специализированного применения для
управления объектами, работающими в масштабе реального времени, руководил созданием в России суперкомпьютеров и вычислительных комплексов для
систем управления реального времени. Он был генеральным конструктором
универсального многоцелевого комплекса «ЭЛЬБРУС-2» и научным руководителем проекта ОСВМ.
В. С. Бурцев начал свою деятельность под руководством академика
С. А. Лебедева еще до окончания Московского энергетического института. Темой его дипломной работы была система управления первой советской быстродействующей электронной машины – БЭСМ АН СССР. Уже на дипломном проектировании он стал одним из ведущих разработчиков в создании этой системы.
Под его научным руководством и при непосредственном участии проведены
следующие научные исследования, которые имели большое научнотехническое значение и были внедрены в промышленности.
В 1953–1956 гг. Бурцевым В. С., как ответственным исполнителем, разработан принцип селекции и оцифровки радиолокационного сигнала, осуществлен
съем данных о цели с радиолокационной станции и ввод их в вычислительную
машину. Успешно был проведен эксперимент одновременного сопровождения
нескольких целей вычислительной машиной. На базе этой работы была написана кандидатская диссертация, а на защите члены совета единогласно проголосовали за присуждение Бурцеву В. С. степени доктора технических наук. Успешный эксперимент со съемом данных с РЛС в корне изменил структуру управляющих противоракетных и противосамолетных комплексов.

186

Под непосредственным руководством В. С. Бурцева в 1956–1961 гг. разработаны принципы построения вычислительных средств противоракетной обороны (ПРО) и создан высокопроизводительный вычислительный комплекс для
решения задачи высококачественного автоматического управления сложными,
разнесенными в пространстве объектами, работающими в масштабе реального
времени. Bычислительные комплексы ПРО были оснащены самой быстродействующей для того времени серийной ЭВМ М-40, в которой В. С. Бурцевым
впервые были предложены принципы распараллеливания вычислительного
процесса за счет аппаратных средств – все основные устройства машины
(арифметическое, управления, ОЗУ, управления внешней памятью и т. д.) имели автономные системы управления и работали параллельно во времени.
Впервые был использован принцип мультиплексного канала, благодаря которому без замедления вычислительного процесса удалось осуществить прием и
выдачу информации с десяти асинхронно работающих направлений с общей
пропускной способностью 1 млн бит/с.
В 1961–1968 гг. под непосредственным руководством В. С. Бурцева для
создания сложных боевых систем разрабатывается первая высокопроизводительная полупроводниковая ЭВМ 5Э92б с повышенной структурной надежностью и достоверностью выдаваемой информации, основанной на полном аппаратном контроле вычислительного процесса. В этой ЭВМ впервые был реализован принцип многопроцессорности, внедрены новые методы управления внешними запоминающими устройствами, позволяющие осуществлять одновременную работу нескольких машин на единую внешнюю память. Все это дало возможность по-новому строить вычислительные управляющие и информационные
комплексы для систем ПРО, управления космическими объектами, центров контроля космического пространства и другие. Многомашинные вычислительные
комплексы с автоматическим резервированием хорошо зарекомендавали себя
на боевых дежурствах.
В 1969–1972 гг. Бурцев В. С., являясь главным конструктором, создает
первую вычислительную машину третьего поколения для перевозимой серийной
противосамолетной системы. Это была трехпроцессорная ЭВМ, построенная по
модульному принципу. Каждый модуль (процессор, память, устройство управления внешними связями) полностью охвачены аппаратным контролем, благодаря
чему осуществлялось автоматическое скользящее резервирование на уровне
модулей в случае их отказов и сбоев, практически без прерывания вычислительного процесса. Комплекс, по производительности равный БЭСМ-6, занимал
объем не более одного кубического метра. Эти комплексы в системе С-300 и до
настоящего времени стоят на боевом дежурстве и продаются в другие страны.
В 1973–1985 гг., являясь главным конструктором многопроцессорных вычислительных комплексов (МВК) «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2», Бурцев В. С.
наряду с принципиальными схемотехническими вопросами большое внимание
уделял конструктивно-технологическим вопросам, принципиальным вопросам
системы охлаждения и повышения интеграции элементной базы, а также вопросам автоматизации проектирования. В процессе создания МВК «Эльбрус-2» по
его инициативе и при непосредственном участии созданы новые быстродействующие интегральные схемы, высокочастотные групповые разъемы, многокристальные и большие интегральные схемы, микрокабели, прецизионные многослойные печатные платы. Это было большим вкладом в развитие технологии
в нашей стране.
В 1980 г. были закончены работы по созданию МВК «Эльбрус-1» общей
производительностью 15 млн операций в секунду. В 1985 г. успешно завершены
государственные испытания десятипроцессорного МВК «Эльбрус-2» производи-

187

тельностью 125 млн операций в секунду. Оба комплекса освоены в серийном
производстве.
При создании этих комплексов были решены принципиальные вопросы
построения универсальных процессоров предельной производительности. Так,
динамическое распределение ресурсов сверхоперативной памяти исполнительных устройств и ряд других решений, впервые используемых в схемотехнике,
позволили в несколько раз увеличить производительность каждого процессора.
С целью дальнейшего повышения производительности комплекса были решены
фундаментальные вопросы построения многопроцессорных систем, такие как
исключение взаимного влияния модулей на общую производительность, обеспечение обезличенной работы модулей и их взаимной синхронизации.
В 1986–1998 гг. разработана структура суперЭВМ, основанная на новом
не фон-неймановском принципе, обеспечивающая существенное распараллеливание вычислительного процесса на аппаратном уровне. Эта архитектура
использует новейшие принципы оптической обработки информации, обладает
высокой регулярностью структуры и позволяет достичь производительности
10
12
10 –10 операций в секунду.
Принципиальной особенностью предлагаемой архитектуры является автоматическое динамическое распределение ресурсов вычислительных средств
между отдельными процессами и операторами. Решение этой проблемы освобождает человека от решения задачи распределения ресурсов при программировании параллельных процессов в многомашинных и многопроцессорных комплексах. Работы по исследованию и созданию новых архитектур ЭВМ проводились в рамках Программы Основных направлений фундаментальных исследований и разработок по созданию оптической сверхвысокопроизводительной
вычислительной машины Академии наук (ОСВМ).
В последние годы жизни В. С. Бурцев являлся научным руководителем
фундаментальных исследований по разработке различных архитектурных решений высокопроизводительных вычислительных машин нетрадиционной архитектуры и их системного программного обеспечения с целью создания информационно-вычислительного комплекса с максимальной производительностью10
12
14
–10 операций в секунду с применением новых физических принципов.
В. С. Бурцев удостоен Ленинской премии и Государственных премий,
награжден орденами Ленина, Октябрьской революции, Трудового Красного знамени и медалями. За цикл работ «Теория и практика создания высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных машин» ему присуждена премия АН СССР им. С. А. Лебедева.
Его перу принадлежит более 150 научных работ, опубликованных как в
нашей стране, так и за рубежом, которые положены в основу проектирования
новых вычислительных средств и используются в учебных целях в ведущих
вузах России. Бурцев В. С. ведет большую работу по подготовке научных кадров. Под его руководством успешно защитили диссертации на соискание ученой
степени кандидата и доктора технических наук более 40 человек. Он преподавал более 20 лет в Московском физико-техническом институте со дня его основания, заведовал филиалом кафедры «Микропроцессорные системы, электроника и электротехника» Московского авиационно-технологического университета им. К. Э. Циолковского.

188

4.2. ФГУП «Институт точной механики
и вычислительной техники им. С. А. Лебедева
Российской академии наук»
Сегодня Институт точной механики и вычислительной техники
им. С. А. Лебедева (ИТМиВТ) – это ведущий научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники, возрождающий ныне отечественную школу инноваций.
Начиная с 1948 г. ИТМиВТ формировал отечественную школу
исследований и разработок, которая многие годы по ряду направлений
удерживала лидирующие позиции в мире. Усилиями специалистов
Института были созданы электронно-вычислительные машины, ставшие в свое время государственным промышленным стандартом и основой для таких стратегических систем, как Система противоракетной
обороны (ПРО), Система предупреждения о ракетном нападении
(СПРН), Система контроля космического пространства (СККП) и др.
Созданные в период 60–80-х гг. вычислительные машины серии
БЭСМ, уникальные комплексы «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и другие
ЭВМ (всего более 20 типов) в составе систем обеспечили решение
важнейших оборонных и научных задач. Более 70 специалистов Института стали лауреатами различных премий – Ленинской, Государственной, Совета Министров СССР.
ИТМиВТ сегодня – это современный центр исследований и разработок в области информационно-коммуникационных систем и микроэлектроники. Здесь проектируются и разрабатываются информационные системы государственного масштаба, аппаратно-программные
комплексы, микроэлектронные системы и электронная компонентная
база двойного назначения.
Институт в полной мере сохранил лучшие традиции отечественной научной школы. Специалисты ИТМиВТ владеют успешным опытом поиска и создания оригинальных технических решений в интересах государственных предприятий аэрокосмической промышленности,
обороны и безопасности, медицины и телекоммуникаций.
Институт точной механики и вычислительной техники был образован для создания в СССР новых средств вычислительной техники, в
первую очередь – быстродействующей вычислительной машины (тогда еще не существовало термина суперЭВМ) в конце 1940-х гг.
Постановление Совета Министров СССР № 2369 о формировании нового института в составе Академии наук СССР датировано 29
июня 1948 г. и подписано главой Правительства СССР И. В. Сталиным (рис. 4.1). Решением руководства института день 29 июня объ189

явлен днем рождения ИТМиВТ, хотя, конечно, работа над созданием
института началась еще до принятия правительственного Постановления и продолжалась после его принятия длительное время.
16 июля 1948 г. вышел первый приказ по ИТМиВТ о начале исполнения обязанностей первым директором института Николаем Григорьевичем Бруевичем. До сентября решались организационные вопросы создания нового института: штаты, структура, помещения… В
приказе № 2 от 2 октября 1948 г. за подписью Н. Г. Бруевича говорилось о зачислении в штат ИТМиВТ с 16 сентября 1948 г. приблизительно 60 сотрудников с установлением им окладов в пределах штатного расписания.

Рис. 4.1. Постановление Совета Министров СССР № 2369 от 29 июня 1948 г. о
формировании Института точной механики и вычислительной техники

ИТМиВТ образован на базе трех институтов АН СССР: института машиноведения, энергетического и математического институтов.
Из института машиноведения выделен отдел точной механики во
главе с академиком Н. Г. Бруевичем (рис. 4.2.). Из энергетического
института выделена лаборатория электромоделирования во главе с
профессором Л. И. Гутенмахером. Из сотрудников Математического
института имени В. А. Стеклова образованы отдел приближенных вы190

числений (начальник отдела – член-корреспондент Л. А. Люстерник) и
экспериментально-счетная лаборатория во главе с И. Я. Акушским.
Территориально вновь образованный институт находился в двух
помещениях. Отдел точной механики располагался на территории института машиноведения (Малый Харитоньевский переулок). Здесь же
находились дирекция, бухгалтерия, кадры. Остальные подразделения
остались в здании на Большой Калужской улице (ныне Ленинский
проспект), где сотрудники работали до образования ИТМиВТ.

Рис. 4.2. Н. Г. Бруевич – первый директор ИТМиВТ

В отдел точной механики ИТМиВТ были переведены 13 человек
из института машиноведения, в их числе будущий лауреат Государственной премии, а тогда младший научный сотрудник П. П. Головистиков. В конце 1948 г. в отдел был зачислен младший научный
сотрудник В. И. Рыжов, закончивший МВТУ им. Н. Э. Баумана, а также некоторые другие сотрудники.
Из энергетического института в ИТМиВТ были переведены 19
человек, в том числе В. В. Бардиж, будущий лауреат Государственной
премии, много сделавший для института.
Основной расчетной техникой в то время были механические
вычислительные средства – табуляторы, перфораторы, репродукторы,
электромеханические настольные клавишные машины.
Многими в то время высказывались мнения, что круг задач, где
требуется очень большое количество вычислений, не так уж велик, поэтому широкого применения электронные вычислительные машины
найти не смогут. Однако появление ЭВМ настолько расширило область
их применения, что они с тех пор вошли во все сферы жизни людей.
191

Весь 1949 г. велась подготовка к разработке в СССР первых
больших вычислительных машин. Разрабатывались два варианта
ЭВМ – один в Академии наук (ИТМиВТ), а второй – в министерстве
машиностроения и приборостроения.
2 сентября 1949 г. в составе отдела точной механики была образована группа для проведения предварительных работ по быстродействующим цифровым математическим машинам.
В это время в ИТМиВТ еще ничего не знали о работах
С. А. Лебедева в Киеве. Только в январе 1950 г. М. А. Лаврентьев и
С. А. Лебедев впервые посетили ИТМиВТ, где Н. Г. Бруевич познакомил их с работами института и его сотрудниками.
В начале 1950 г. директором ИТМиВТ стал академик
М. А. Лаврентьев, а С. А. Лебедев с 16 марта 1950 г. был назначен
начальником лаборатории № 1, оставаясь также начальником лаборатории киевского института электротехники АН УССР, где коллектив
под его руководством заканчивал работу над МЭСМ. В декабре
1950 г. отдел точной механики во главе с Н. Г. Бруевичем был переведен из ИТМиВТ в институт машиноведения, где он функционировал
когда-то. Территориально отдел остался в своем старом помещении –
в Малом Харитоньевском переулке, а остальные сотрудники переехали в здание 2-го часового завода у Белорусского вокзала, откуда позднее переместились в здание на Ленинском проспекте, которое было
построено к сентябрю 1951 г. (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Строительство здания ИТМиВТ

К весне 1951 г. в лаборатории № 1 уже работали около 50 человек.
Среди них были будущие действительные члены Академии наук СССР
Всеволод Сергеевич Бурцев, Владимир Андреевич Мельников. 21 апреля
192

1951 г. начала работу Государственная комиссия, а летом 1952 г. было
завершено изготовление машины, которая заработала к осени 1952 г.
В апреле 1953 г. Государственная комиссия под председательством М. В. Келдыша приняла к работе БЭСМ, а в июне 1953 г.
С. А. Лебедев, оставшись начальником лаборатории № 1, был назначен директором ИТМиВТ, который теперь носит его имя.
Понимая, как важна подготовка специалистов для нового
направления, с 1953 г. и до конца своих дней С. А. Лебедев возглавлял
кафедру «Электронные вычислительные машины» в Московском физико-техническом институте.
Кроме лаборатории № 1, которую длительное время возглавлял
сам С. А. Лебедев, а впоследствии передал В. А. Мельникову, в институте были созданы новые лаборатории. Лабораторию № 2, занимавшуюся проблемами специальных ЭВМ, возглавил ученик С. А. Лебедева, будущий директор института, будущий академик В. С. Бурцев.
Лаборатория № 3 с ее начальником В. В. Бардижем занималась разработкой запоминающих устройств (сначала магнитных, потом полупроводниковых). Лаборатория № 4, которая была поручена П. П. Головистикову, занималась разработкой элементной базы и исследованиями в области полупроводниковой электроники. Выпускнику МГУ
им. Ломоносова Л. Н. Королеву, будущему члену-корреспонденту АН
СССР и заведующему кафедрой на факультете вычислительной математики и кибернетики МГУ, было поручено целое направление – в его
лаборатории № 5 велась разработка математического и программного
обеспечения для всех ЭВМ, разрабатывавшихся в ИТМиВТ.
В 1979 г. институт награжден орденом Трудового Красного Знамени. За время с 1948 г. сотрудники института были награждены:
 званием Героя Социалистического труда – 1 человек;
 Ленинской премией – 7 человек;
 Государственной премией СССР и России – 42 человека;
 Премией Совета Министров СССР – 12 человек.
Орденами и медалями СССР и Российской Федерации награждены более 700 человек.
К первой линии ЭВМ, созданных в ИТМиВТ, относятся машины
серии БЭСМ, М-20, М-220, БЭСМ-2, М-50, БЭСМ-4, БЭСМ-6, «Эльбрус 1-К2», «Эльбрус 1-КБ». В качестве управляющих машин в системах управления реального времени использовались «Диана», «Диана2», М-40, 5Э261/2, 5Э265/6, 40У6. Управление космическими объектами осуществлялось машинами БЭСМ-6, АС-6. В системах противоракетной обороны работали машины 5Э92, 5Э92Б, 5Э51, 5Э65, 5Э67,
«Эльбрус-1» и «Эльбрус-2» (рис. 4.4). Для систем противовоздушной
обороны разрабатывались ЭВМ 5Э261, 5Э262, 5Э265, 5Э266 Ч 40У6.
193

Помимо законченных вычислительных машин в ИТМиВТ разрабатывались отдельные устройства, входившие в состав ЭВМ в качестве составных элементов. В состав комплекса АС-6 входила периферийная машина ПМ-6, а в состав МВК «Эльбрус» могли дополнительно включаться: процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ),
векторный процессор, процессор ввода/вывода (ПВВ), процессор передачи данных (ППД), универсальный инженерный пульт (УИП).

Рис. 4.4. «Эльбрус-2»

Кроме перечисленных ЭВМ, в ИТМиВТ были созданы проекты и
других вычислительных машин, которые по разным причинам не были реализованы. Среди нереализованных проектов – проект БЭСМ-10,
проект мини-суперЭВМ (совместимой с МКП), «Эльбрус-3», «Эльбрус-4», «Эльбрус-5», а также машины серии МВС, разрабатывавшиеся как развитие машины 40У6, и проект 40У6М.
Наиболее значимые разработки ИТМиВТ:
– БЭСМ-2. Расчет траектории лунной ракеты, доставившей вымпел Советского Союза на Луну. Главный конструктор машины – Герой Социалистического Труда академик С. А. Лебедев;
– М-20. С помощью М-20 создавались автоматические линии и
агрегатные станки;
– БЭСМ-4. Полупроводниковая ЭВМ, программно совместимая с
М-20, применялась для решения сотен различных задач, в том числе
для расчетов воздушных бассейнов крупнейших металлургических
предприятий страны, как действующих, так и проектируемых. Главный конструктор машины – кандидат технических наук О. П. Васильев.
194

Универсальная машина БЭСМ-6 (рис. 4.5) использовалась во всех
отраслях народного хозяйства (нефтепромыслы, планирование машиностроительных отраслей, создание автоматических линий, ядерный реактор, синхрофазотрон, обслуживаемые машиной). Главный конструктор – Герой Социалистического труда академик С. А. Лебедев;

Рис. 4.5. БЭСМ-6

– АС-6. Обеспечение стыковки космических кораблей «Аполлон» и «Союз». Система связи и обработки информации. Космический
комплекс «Союз-Салют». Программа «Интеркосмос». Главные конструкторы: Герой Социалистического труда академик С. А. Лебедев,
В. А. Мельников, А. А. Соколов;
– «Диана-1», «Диана-2». Автоматический съем данных от обзорной радиолокационной станции с селекцией объекта от шумов и
расчет траектории движения. Руководители работ: С. А. Лебедев,
Д. Ю. Панов, В. С. Бурцев, Г. Т. Артамонов;
– М-40, М-50. Работа в замкнутом контуре управления в качестве
управляющего звена. Работа с удаленными объектами по радиорелейным дуплексным линиям связи. Главный конструктор: С. А. Лебедев.
За разработку ЭВМ М-40 и М-50 С. А. Лебедев и В. С. Бурцев удостоены Ленинской премии за 1966 г.;
– 5Э92Б, ЭВМ5Э51. Главный конструктор – С. А. Лебедев, зам.
главного конструктора: В. С. Бурцев. За разработку 5Э92Б и 5Э51
В. С. Бурцев, В. И. Рыжов, А. С. Крылов удостоены Государственной
премии СССР;
195

– 5Э65, 5Э67. Перевозимый высокопроизводительный вычислительный комплекс специального применения, обеспечивающий проведение исследований в реальном масштабе времени в полевых условиях с высокой степенью достоверности за счет применения памяти с
неразрушающим считыванием, полного аппаратного контроля,
средств устранения последствий сбоев. С применением комплекса
были произведены исследования различных бортовых средств радиоизмерений и радионавигации в атмосфере и в космосе. Вариант 5Э67
представляет собой модификацию 5Э65 с общим полем внешней памяти и аппаратно-программными средствами реконфигурации на
уровне машин. Комплекс обеспечивает работу в жестких климатических условиях. С участием комплекса были произведены уникальные
радиоизмерения эпизодических явлений в верхних слоях атмосферы в
реальном масштабе времени. Главный конструктор – С. А. Лебедев,
зам. главного конструктора – И. К. Хайлов. За создание 5Э67
И. К. Хайлов удостоен Государственной премии СССР в 1977 г.;
– 5Э261, 5Э262. Первая в СССР мобильная многопроцессорная
высокопроизводительная управляющая система, построенная по модульному принципу, с высокоэффективной системой автоматического
резервирования, базирующейся на аппаратном контроле и обеспечивающей возможность восстановления процесса управления при сбоях
и отказах аппаратуры, работающей в широком диапазоне климатических
и механических воздействий, с развитым математическим обеспечением
и системой автоматизации программирования. Работает в составе систем
ПВО С-300 ПТ сухопутного и морского базирования. Главные конструкторы: С. А. Лебедев, В. С. Бурцев. За создание 5Э261/2 Е. А. Кривошеев,
Ю. Д. Острецов, Ю. С. Рябцев удостоены Государственной премии
СССР в 1980 г. На рис. 4.6 представлена фотография 5Э261.

Рис. 4.6. 5Э261 – первая в СССР мобильная
многопроцессорная высокопроизводительная управляющая система

196

– «Эльбрус-1». Главный конструктор – В. С. Бурцев. Суперскалярная архитектура, применение процессоров ввода-вывода для организации передачи потоков данных между оперативной памятью и периферийными устройствами;
– «Эльбрус-2». Главный конструктор – В. С. Бурцев. По структуре незначительно отличается от «Эльбрус-1», однако использована
более современная элементная база. Использовались в оборонной отрасли, в ядерных исследовательских центрах в Арзамасе-16 и Челябинске-70, а с 1991 г. применялись в системе противоракетной обороны А-135 и в других военных объектах. За создание «Эльбрус-2»
Б. А. Бабаян и другие получили Ленинскую премию, а Главный конструктор В. С. Бурцев и другие – Государственную премию;
– 5Э265, 5Э266. Развитие ЭВМ 5Э261Ч5Э262. Работает в составе
систем ПВО С-300 ПС сухопутного и морского базирования. Главный
конструктор – В. С. Бурцев;
– «Эльбрус 1-К2», «Эльбрус 1-КБ». Основаны на технологиях
«Эльбрус-2» и использовались для замены БЭСМ-6. Процессор «Эльбрус 1-К2» (СВС) был совместим с БЭСМ-6 на уровне системы команд, но работал в 2–3 раза быстрее. Между БЭСМ-6 и «Эльбрус 1КБ» имелась полная обратная программная совместимость, дополненная новыми режимами работы с увеличенной разрядностью адресов и
чисел. Эта ЭВМ имела быстродействие примерно на порядок большее,
чем БЭСМ-6, и была в несколько раз компактнее;
– 40У6. Главный конструктор: Е. А. Кривошеев. Машина работает в режиме жесткого реального времени в составе системы С-300ПМ
сухопутного и морского базирования, а также в сложных системах
управления крупными объектами специального назначения, рассчитана на работу в широком диапазоне климатических и механических
воздействий, имеет развитое математическое обеспечение автоматизации программирования. За создание 40У6 Е. А. Кривошеев удостоен
Государственной премии;
– «Эльбрус-3». Многопроцессорный вычислительный комплекс,
16 процессоров, быстродействие в два раза выше, чем у CRAY-YMP.
Был изготовлен, но в серию запущен не был.
Действительными членами Академии наук СССР и Российской
Федерации во время работы в ИТМиВТ были:
 Н. Г. Бруевич (1939, 1942);
 М. А. Лаврентьев (1939 – АН УССР, 1946);
 С. А. Лебедев (1945 – АН УССР, 1953);
 В. А. Мельников (1976, 1981);
 В. С. Бурцев (1976, 1992).
197

Членами-корреспондентами по итогам работ в ИТМиВТ стали:
 Л. Н. Королев (1981);
 Б. А. Бабаян (1984);
 В. П. Иванников (1984);
 Г. Г. Рябов (1984);
 Ю. И. Митропольский (1990).
Сотрудниками института были получены более 700 авторских
свидетельств. Институтом оформлены около 60 патентов, из которых
около 10 действуют до сих пор. Опубликованы более 1 500 научных
работ в отечественных и зарубежных изданиях. Многие сотрудники
ИТМиВТ и смежных организаций защитили кандидатские и докторские диссертации по тематике работ института.
Основные направления исследований и разработок Института в
настоящее время:
• встраиваемые системы для ответственных применений (авионика, энергетика, металлургия, космос);
• ЭКБ оборонного, специального и промышленного назначения;
• беспроводные системы мониторинга;
• навигационные, информационные и управляющие системы;
• группа методов адаптивного управления;
• системы автоматизации проектирования микроэлектроники (САПР);
• оптимизирующие компиляторы;
• корпоративные информационные системы;
• информационная безопасность и криптография.
Исследования, проводимые в стенах ИТМиВТ, носят прикладной
характер – результатом являются инновационные продукты и решения, конкурентоспособные на внутреннем и внешнем рынке.
Помимо исследовательской деятельности ИТМиВТ предлагает
услуги проектирования готовых изделий и их компонент, включая
разработку микроэлектронной элементной базы, радиоэлектронной
аппаратуры, встроенных систем, системного, специализированного и
прикладного программного обеспечения.
ИТМиВТ ведет проекты в области системной интеграции и в
первую очередь обеспечивает создание, внедрение, модернизацию и
поддержку сложных информационных и коммуникационных систем
для решения задач государственных структур, предприятий обороннопромышленного комплекса и крупных коммерческих организаций.

198

4.3. Работы в области
микроэлектронных технологий
Одной из ярких страниц в истории развития вычислительной
техники явились работы, начатые во второй половине 50-х гг. в Ленинграде коллективом, руководимым Филиппом Георгиевичем Старосом и его ближайшим помощником Иозефом Вениаминовичем Бергом. Особенностью этих работ была изначальная ориентация на микроэлектронные технологии. Это позволило получить первые в СССР
крупные результаты в создании и внедрении образцов микроэлектронной управляющей вычислительной техники и инициировать организацию Научного центра микроэлектроники в Зеленограде с филиалами в ряде городов Союза. Другой важной особенностью этих работ
было то, что руководили ими ученые, тесно связанные с ядерным проектом, но только не советским, а американским.

***
Филипп Георгиевич Старос (Альфред Сарант,
Alfred Sarant, 1918–1979) – американско-советский инженер, разведчик. По происхождению грек. В Канаде превратил свою фамилию Сарантопулос в Сарант. В 1941 г.
получил степень бакалавра но электронике в университете Купер-Юнион в Нью-Йорке. В 1944 г. вступил в коммунистическую партию США, состоял в одной ячейке с Джулиусом и Этель Розенбергами. Во время Второй мировой
работал в лабораториях корпуса связи армии США вместе со своим другом Джоэлом Барром. Находясь в контакте с советским разведчиком Феклисовым, Барр и Сарант
передавали советской разведке техническую информацию об американских вооружениях, в том числе о радарных установках, авиаприцелах, аналоговых компьютерах
для управления огнем и других системах. С 1946 г. Сарант работал в лабораториях Корнелльского университета. Был знаком со многими известными физиками, включая Ханса Бете и Ричарда Фейнмана. В 1950 г. после ареста Джулиуса
Розенберга ФБР допросило Саранта, но не арестовало его. Вскоре Сарант бежал в Мексику с Кэрол Дэйтон – женой своего соседа. Там он вышел на связь с
советской разведкой и был переправлен в Чехословакию, где встретился с Барром и получил новое имя Филипп Георгиевич Старос. Никто точно не знает, чем
занимались друзья эти годы, но в конце 1955 г. из Чехословакии в СССР прибывают два эмигранта: Филипп Старос и Иозеф Берг.

В 1956 г. при одной из ленинградских конструкторских организаций для ученых была организована специальная (закрытая) лаборатория СЛ-IL. Уже в первые годы ее существования были достигнуты
серьезные результаты по созданию экспериментальных образцов пленочных микросхем, интегральных многоотверстных ферритовых пластин для запоминающих устройств и логических узлов ЭВМ с малым
199

потреблением энергии. После посещения СЛ-11 в 1959 г. Д. Ф. Устиновым (бывшим тогда председателем ВПК при СМ СССР) было принято решение об организации самостоятельного КБ под руководством
Ф. Г. Староса. Оно было создано в 1961 г. и получило название КБ-2
электронной техники. Последствия не замедлили сказаться.
Старос приехал в Советский Союз из Праги в конце 1955-го или
начале 1956 г. в сопровождении своей американской жены, четырех
детей и американского коллеги, друга и доверенного лица Иозефа
Берга, который был женат на чешке и впоследствии работал заместителем Староса. Хотя существует некоторая неясность в отношении
того, кто пригласил Староса в СССР (некоторые утверждают, что это
был Дементьев, в то время министр авиационной промышленности, по
другой версии Хрущев привез его в Советский Союз вместе с семьей),
есть очень мало сомнений в том, что советские власти с самого начала
относились к нему с очень большим вниманием. Его зарплата в
700 руб. в месяц была намного выше, чем 550 руб., которые получали
другие заместители министра электронной промышленности СССР.
Первым крупным исследованием новой организации, выполненным в рекордно короткий срок (два года), явилась разработка управляющей ЭВМ УМ1-НХ. (НХ формально означало «народное хозяйство». Но, отвечая на вопрос Хрущева, что означает эта аббревиатура,
Старос слегка запнулся: «Это значит, Никита...» и Хрущев радостно
закончил: «Все ясно! НХ означает «Никита Хрущев».) Массой 65 кг,
потребляющая 100 Вт, состоявшая из восьми тысяч транзисторов и
примерно десяти тысяч резисторов и конденсаторов, во время испытаний УМ1-НХ проработала без сбоев в течение 250 час. В 1962 г. она
была принята Государственной комиссией под председательством
академика А. А. Дородницына и рекомендована к серийному производству. Разработчик машины был представлен публике советской
прессой как тов. Филиппов. Только через пять лет, когда Старос получил Государственную премию, было объявлено, что именно он является разработчиком машины УМ1-НХ. (Тогда стало ясно, что фамилия
Филиппов является производной от имени Староса.) ЭВМ УМ1-НХ
стала предвестницей появления нового класса вычислительной техники – микроэлектронных управляющих ЭВМ. Хотя логическая часть
УМ1-НХ, а также ПЗУ констант и команд были выполнены на дискретных элементах, в ней впервые были реализованы принципы и технические решения микросхемотехники. Существенными отличительными характеристиками УМ1-НХ явились низкая для того времени
стоимость и высокая надежность работы в производственных условиях. Например, за первые 12 тыс. часов работы в условиях металлургического производства в системе управления нажимным устройством
200

блюминга 1150 на Череповецком металлургическом заводе показатель
безотказности УМ1-НХ составил более 1,5 тыс. час. Приоритет УМ1НХ как первой в мире мини-ЭВМ фактически признали американские
специалисты, УМ1-НХ была названа «замечательной» (remarkable) по
своим размерам и потребляемой мощности. По постановлению ЦК
КПСС и СМ СССР в 1963 г. началось освоение и серийное производство УМ1-НХ на Ленинградском электромеханическом заводе
(ЛЭМЗ). В последующие годы ЛЭМЗом было также освоено производство новых устройств для УМ1-НХ, расширяющих ее возможности, используя которые вместе с базовым конструктивом УМ1-НХ
завод выполнял заказы промышленности на управляющие комплексы
для конкретных объектов.
Наиболее крупным комплексом, который был изготовлен ЛЭМЗ,
является комплекс автоматического контроля и регулирования для
2-го блока Белоярской АЭС (руководитель разработки В. Е. Панкин,
КБ-2). Центральная подсистема управления состояла из двух УМ1НХ, работавших в режиме «горячего» резерва, к которым подключалось около 4 тыс. каналов ввода-вывода, размещаемых в 15 конструктивах типа УМ1-НХ. Комплекс был укомплектован 120 преобразователями «угол-код».
Работой по внедрению комплексов и систем на базе УМ1-НХ руководил один из ближайших в то время помощников Староса Виталий
Михайлович Вальков. История внедрения УМ1-НХ (рис. 4.7) в различных отраслях народного хозяйства интересна тем, что было доказано в принципе очевидное положение: для решения целого ряда конкретных задач управления требуются средства вычислительной техники с весьма скромными характеристиками. Это дало толчок многочисленным работам в области использования УМ1-НХ для управления
различными объектами.

Рис. 4.7. УМ1-НХ

201

Итог подвело Постановление ЦК КПСС и СМ СССР от 1 ноября
1969 г.: «Присудить Государственную премию СССР Старосу Филиппу Георгиевичу, доктору технических наук, главному конструктору,
руководителю работы, Валькову Виталию Михайловичу, Панкину
Владимиру Ефимовичу, начальникам отделов, Бергу Иозефу Вениаминовичу, кандидату технических наук, главному инженеру, Бородину Николаю Иннокентьевичу, кандидату технических наук, заместителю главного конструктора, работникам конструкторского бюро и
другим – за разработку малогабаритной электронной управляющей
машины и управляющих вычислительных комплексов типа УМ1-НХ и
внедрение их в первые цифровые управляющие системы в различных
отраслях народного хозяйства».
Одновременно с этими работами в КБ-2 интенсивно развивались
исследования в области микроэлектронной технологии, создавались
экспериментальные образцы микроминиатюрных логических узлов и
узлов памяти ЭВМ, отрабатывались идеи и методы создания микроэлектронной аппаратуры различного назначения.
4 мая 1962 г. КБ-2 посетил Н. С. Хрущев. Его сопровождали
Устинов, главком ВМФ Горшков, министр электронной промышленности Шокин и ряд других высокопоставленных деятелей военнопромышленного комплекса. Старос сделал четкий и короткий доклад
(Хрущев любил доклады в таком стиле) о значении микроэлектроники
для обороноспособности страны и научно-технического прогресса
СССР в целом. Во время доклада демонстрировались действующие
образцы микроэлектронных средств вычислительной техники от УМ1НХ, микросборок, интегральных узлов памяти до макета микроминиатюрной аппаратуры на бескорпусных транзисторах, имитирующей
решения летчика для маневрирования истребителя в бою. Апофеозом
стало краткое изложение сути разработанного под руководством Староса проекта Научного центра микроэлектроники.
Результатом посещения КБ-2 Хрущевым был выпуск буквально
через месяц (беспрецедентный срок!) постановления ЦК КПСС и СМ
СССР о строительстве Научного центра микроэлектроники в Зеленограде и организации ряда филиалов в Киеве, Минске, Риге, Вильнюсе
и др. В разработке проекта научного центра микроэлектроники кроме
Староса участвовали И. В. Берг, В. М. Вальков, Н. И. Бородин,
Г. Р. Фирдман. Проект предусматривал интенсивное комплексное развитие всех необходимых компонентов микроэлектроники как науки и
как базовой отрасли развития народного хозяйства – от материалов и
новых технологий до новой подотрасли электронного машиностроения – и создания пионерских образцов микроэлектронной вычислительной техники. Первые два года Ф. Г. Старос исполнял обязанности
202

заместителя генерального директора по науке создаваемого Центра,
оставаясь главным конструктором КБ-2, которое до 1970 г. входило
как самостоятельное предприятие в систему Научного центра. В
1961 г. был создан новый мощный Госкомитет, а затем, в 1965 г., Министерство электронной промышленности, возглавил которое Александр Шокин. Целью создания этого министерства было увеличение
производства основных электронных компонентов, без которых невозможно производство радарного оборудования и вычислительных
машин. На Министерство электронной промышленности возлагались
большие надежды, и оно заняло место среди так называемых девяти
сестер – девяти индустриальных министерств, которые более всего
были вовлечены в военное производство. Это делало позицию Шокина очень сильной, но в то же время и уязвимой, так как он постоянно
должен был демонстрировать быстрые практические результаты. Этот
факт может объяснить, почему он столь охотно поддержал Староса в
его планах. Поддерживая Староса в направлении расширения его конструкторского бюро, он в то же время невольно содействовал тому,
что Старос очень быстро ощутил пределы советской терпимости в
отношении иностранцев.
Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в
1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории
Л. Н. Колесова.
Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема
была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 г. в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведен в НИИМЭ
(«Микрон»). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с
военной приемкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37
элементов – эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцыпрототипы и производственные образцы кремниевых интегральных
схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор
Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном
высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка
включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем
серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ35 три года (с 1962 по 1965 г.). Еще два года ушло на освоение заводского производства с военной приемкой во Фрязино (1967).
В 1964 г. в КБ-2 под руководством Староса была разработана
микроминиатюрная ЭВМ УМ-2, ориентированная на применение в
203

аэрокосмических объектах. Кроме достаточно развитой архитектуры,
УМ-2 имела оригинальные схемо-конструктивные и технологические
решения, которые оказали большое влияние на развитие бортовой вычислительной техники в последующие годы. Для организаций Королева и Туполева были разработаны опытные образцы этой машины.
Второй крупной разработкой 1964 г. было семейство наращиваемых магнитных интегральных накопителей типа КУБ-1, -2, -3, -4.
Серийное производство этих накопителей было освоено заводом
ЛЭМЗ, ими комплектовались не только управляющие комплексы на
базе УМ1-НХ, но и системы управления ракетами, находящиеся на
вооружении армии.
Разработка УМ-2, ее удачные архитектурные и конструктивнотехнологические решения получили свое развитие и практическое
внедрение по двум направлениям: была разработана управляющая
ЭВМ «Электроника К-200» и управляющий комплекс с наращиваемыми устройствами ввода-вывода и периферийными устройствами,
получивший название «Электроника К-201». В конце 60-х гг. они стали выпускаться в Псковском объединении «Рубин».
ЭВМ весила примерно 120 кг и могла производить 40 тыс. операций в секунду. Авторы американского обзора об этой машине отметили, что многие ее черты не считались бы слишком оригинальными
на Западе, но появление таких особенностей в советской вычислительной машине крайне необычно. К-200 была первым компьютером
советского производства, который можно считать хорошо разработанным и удивительно современным. Подчеркивался также современный
английский технический жаргон, сопровождавший описание машины.
Конечно, все эти качества машины не так уж удивили бы авторов обзора, если бы они знали, что ее разработчиком является американский
электронщик, который регулярно следил за американскими публикациями по этому предмету.
Таким образом, разработки КБ-2 инициировали возникновение
второго нового производителя средств микроэлектронной управляющей вычислительной техники. В 70-е гг. «Электроника К-200» и комплексы на ее основе нашли достаточно широкое применение для контроля и управления в промышленности (в первую очередь электронной). Основными работами по направлению «Электроника К-200»
руководил В. М. Вальков; его ближайшими коллегами были
В. И. Хлебников, Г. В. Федоров, В. Н. Колесов, Л. А. Старн.
Второе рождение УМ-2 получила в многоцелевой управляющей
системе «Узел» для малых подводных лодок. Разработка «Узла» (гл.
конструктор Ф. Г. Старос) проводилась по заданию ВМФ и по решению ВПК при СМ СССР. «Узел» успешно прошел государственные (а
204

в дальнейшем объектовые) испытания, был внедрен в мелкосерийное
производство на Псковском объединении «Рубин» и в 70–80-е гг. поставлялся для комплектования объектов ВМФ. В комплексе работ по
«Узлу» особая роль принадлежала ученику Староса доктору технических наук, профессору М. П. Гальперину, за что ему была присуждена
(в составе коллектива) Государственная премия СССР.
К началу 70-х гг. в КБ-2 под руководством Староса были получены первые результаты по созданию монолитных БИС в виде комплекта для первого микрокалькулятора, производителем которого стало
ПО «Светлана» (ныне АО «Светлана»). Получение этих результатов
(на несколько месяцев раньше, чем на других микроэлектронных
предприятиях) было обеспечено не только тщательной отработкой
технологии МДП-БИС с применением средств автоматизации на базе
мини-ЭВМ (экспонирование фотошаблонов и контроль изготавливаемых изделий), но и внедрением мощной системы топологического
проектирования (в то время на базе БЭСМ-6). Разработки БИС для
микрокалькуляторов послужили базой для развития работ по созданию машины «Электроника С5» – первого в СССР семейства одноплатных, многоплатных и однокристальной микро-ЭВМ для управления объектами и процессами. Среди этого семейства с оригинальной
структурой и архитектурой, в разработке которых приняли участие
ученые Института кибернетики им. В. М. Глушкова АН Украины
(А. В. Палагин и др.), следует особо выделить однокристальную микро-ЭВМ С5-31, оригинальность которой была отмечена американскими специалистами. Работы по совершенствованию микроэлектронной
технологии и созданию новых образцов микропроцессорной вычислительной техники продолжаются и по сей день в АО «Светлана» –
«Микроэлектроника» (так сейчас называется бывшее КБ-2). Ведущую
роль в этих работах играют ученики Староса Е. И. Жуков – ныне главный инженер предприятия, В. Я. Кузнецов, В. Е. Панкин, Ю. П. Шендерович. Они были активными участниками всех основных разработок
начиная с УМ1-НХ.
Самым важным и одновременно самым опасным шагом, предпринятым Старосом, была разработка проекта создания Центра микроэлектроники в Зеленограде, который ныне является частью Москвы,
своеобразной «кремниевой долины» под Москвой. Создание Научного
центра и мощный импульс в развитии микроэлектроники, последовавший за его появлением в 70–80-е гг., по-видимому, являются самым выдающимся вкладом Староса и Берга в микроэлектронику и
вычислительную технику в СССР. Центр микроэлектроники должен
был включать 6–7 исследовательских институтов, конструкторских
бюро, учебный институт, известный ныне как Институт электронной
205

техники, завод. Работа этого Центра должна была координироваться
генеральным директором. Старос был назначен помощником генерального директора по науке, одновременно сохраняя должность
главного конструктора своего бюро в Ленинграде. Эта-то ситуация и
привела к неприятностям для Староса. С одной стороны, он должен
был оставаться в Ленинграде, чтобы бороться с критикой местной
партийной бюрократии, направленной против его конструкторского
бюро. С другой стороны, Центр в Зеленограде начал развиваться так
успешно, что советские коллеги Староса решили, что они и сами, без
него могут справиться с разработкой Центра. К лету 1964 г. Старос
обнаружил, что находится под двойной атакой. Секретари Ленинградского обкома были очень недовольны тем, что директор важной исследовательской организации, работающей для военных, является
практически иностранцем. Они, в особенности секретарь Ленинградского обкома Григорий Романов, возражали против кадровой политики Староса, который набирал на работу специалистов в основном
только в соответствии с уровнем их знаний. Результатом его кадровой
политики явилось возникновение политически «ненадежной» группы
очень сильных профессионалов внутри коллектива советских военных
разработчиков. Среди этих профессионалов было много евреев и беспартийных. Чувствуя неблагоприятную обстановку в Ленинграде,
Старос в то же время не мог не осознать, что шансы на переезд в Зеленоград становятся очень малыми.
Как и в 1950 г., Старос решил разрубить гордиев узел своей
судьбы одним смелым ударом. Он написал личное письмо Хрущеву,
излагая свои проблемы и жалуясь на отсутствие поддержки от министра электронной промышленности т. Шокина. Письмо было получено
канцелярией Хрущева в начале октября 1964 г. К несчастью Староса,
Хрущев через несколько дней был вынужден уйти в отставку, и письмо Староса попало в руки министра электронной промышленности.
Его реакция была вполне предсказуемой. Есть информация, что во
время беседы со Старосом Шокин сказал следующее: «Филипп Георгиевич, мне кажется, что у вас возникла странная фантазия, будто вы являетесь создателем советской микроэлектроники. Это неправильно. Создателем советской микроэлектроники является Коммунистическая партия, и чем скорее вы осознаете этот факт, тем лучше будет для вас» [27].
Это означало, что Старос больше не мог играть независимой роли в Центре микроэлектроники в Зеленограде, который он создал. Он
был снят с поста заместителя директора Центра в 1965 г.
В 1973 г. конструкторское бюро Ф. Г. Староса было включено в
объединение «Светлана», и последние годы своей жизни он провел во
Владивостоке в Институте вычислительных машин Дальневосточного
206

центра АН СССР, где возглавил исследования по созданию искусственного интеллекта на базе новой микроэлектронной технологии.
(Во Владивосток его пригласил А. П. Капица по рекомендации своего
отца.) Ф. Г. Старос был интереснейшим и разносторонним человеком.
Он имел не только более 200 патентов на самые разные изобретения,
но и замечательную коллекцию поп-, рок-музыки и классики. Играл на
гитаре, банджо и флейте. Был яхтсменом и поэтом. Он создал не только лабораторию в ДВНЦ и кафедру на физическом факультете ДВГУ,
но и музыкальный и английский клубы на филологическом факультете.
Несмотря на то что он был членом Президиума ДВНЦ, на выборах в академию наук его проваливали раза четыре, а последний раз
голосование так и не состоялось – Филипп Старос умер в Москве в
1979 г., за несколько часов до начала очередного заседания АН
СССР. На его похоронах в Москве присутствовали практически все,
кто стоял у истоков создания советской микроэлектроники и микроэлектронной вычислительной техники. Ф. Г. Старос был выдающимся
инженером, ученым, организатором научных коллективов, его деятельность явилась незабываемой особой страницей в истории развития
электроники и вычислительной техники в СССР. На надгробной плите
сделана надпись: Alfred Sarant и ниже – Филипп Георгиевич Старос.

4.4. Отечественный атомный проект
Разработки ядерного и термоядерного оружия в нашей стране
способствовали также быстрому развитию вычислительной математики и вычислительной техники. В реализацию отечественного атомного
проекта большой вклад внесли выдающиеся математики академики
АН СССР М. В. Келдыш, С. Л. Соболев, А. А. Дородницын, М. А. Лаврентьев. В связи с этим следует привести высказывание заместителя
научного руководителя Всероссийского научно-исследовательского
института экспериментальной физики (ВНИИЭФ) и руководителя математического отделения профессора Ивана Денисовича Софронова:
«Математические расчеты при создании атомного оружия играют особую роль. Ну а главная наша гордость – то, что все ядерное оружие,
которое стоит на боевом дежурстве, было рассчитано нашими математиками, по нашим методикам, по нашим программам с использованием только отечественной вычислительной техники. Надо сказать, что
наше отставание от американцев по производительности вычислительных машин было на два порядка или больше. Тем не менее паритет в оружии был достигнут. И заслуга в том наших математиков,
наших физиков-теоретиков и конструкторов.
207

Как ни парадоксально это звучит, но наше отставание в вычислительной технике оказало большое влияние на интенсивность математических разработок, на эффективность создаваемых математических
методов. Именно оно заставляло нас изобретать экономичные алгоритмы решения задач, разрабатывать более совершенную технологию
расчетов, наконец, привлекать к работе большие, чем в США, математические коллективы. Смею заверить, что сегодня у нас нет конкурентов в решении столь сложных прикладных задач. Мы располагаем
самым большим пакетом программ и методик для решения, в том числе и трехмерных задач математической физики, механики сплошной
среды, нейтронной физики и др. У нас самый большой математический коллектив в стране. И мы неплохо вооружены, мощность нашего
машинного парка мало кому в России уступит.
В свое время мы выдержали конкуренцию с американцами в создании атомного оружия. И это оружие до сих пор является нашим
щитом, который на полвека предотвратил всякое поползновение воевать с нами. Конечно, это не только наша заслуга, но и физиковтеоретиков, которые считаются у нас авторами зарядов, физиковэкспериментаторов, конструкторов и др. Ядерное оружие, однако,
требует к себе пристального внимания, его надо правильно хранить,
оно должно быть безопасным и готовым к применению, его надо совершенствовать, что нельзя делать без испытаний, которые в настоящее время запрещены. Где же выход? В математических расчетах.
Совсем недавно это считалось невозможным. Но уже в прошлом году
президент США Клинтон собрал своих генералов и разработчиков
ядерного оружия и объявил, что у них создана виртуальная ядерная
бомба. То есть американцы заявили, что они умеют делать оружие без
испытаний. Для этого пять лет назад была придумана инициатива
СКИ и появились терафлопные машины. Американцы уже готовы делать, может быть, не очень современные, но заряды без испытаний.
Пока, правда, ни одного подобного заряда на вооружение не поступило. Но, тем не менее, они к этому упорно идут. Я думаю, что максимум лет через пять они объявят, что могут это делать, и начнут ставить на вооружение вполне современные заряды без испытаний. Думаю, что мы пойдем тем же путем. Для этого нам необходимо создать
суперЭВМ. Сейчас в нашей стране есть две законченные разработки –
машина МВС, созданная НИИ «Квант» и Институтом прикладной математики РАН, и наша машина МП-Х-Y. Они отличаются по архитектуре, составу элементной базы и программному обеспечению. Мы
начинали разрабатывать машину вместе с ИПМ РАН, но у нас оказались разные точки зрения, и каждый стал делать свою систему.
208

Недавно мы лишний раз убедились, что их подход к проектированию ЭВМ, предназначенных для решения наших задач, не годится.
Дважды пытались мы считать свои задачи на машинах, разработанных
конкурентами, и оба раза чуда не произошло – эффективность их машин для наших нужд оказалась неприемлемо низкой. Поэтому считать
задачи второго ядерного века мы на них не стали. Сам факт, что изначально мы должны были отвечать за свои расчеты и просчитывать
тысячи вариантов изделия, вынудил нас работать ответственно и
большими коллективами. Задача в 1 тыс. ч машинного времени для
нас ничего рекордного даже 20 или 30 лет назад не представляла. Были задачи и в 10 тыс. ч непрерывной работы машины. И это с учетом
того, что бессбойность работы отечественной вычислительной техники оценивалась по ТУ не более чем 10 часов. Насущной необходимостью при этом оказалось распараллеливание счета задач, т. е. решение
одной задачи сразу на нескольких машинах. В 1993–1994 гг. во
ВНИИЭФ создана мультипроцессорная система с производительностью 1 гигафлоп, в которой используются специально разработанные
и изготовленные на отечественной элементной базе коммутаторы с
пропускной способностью 90 Мб в секунду. На этих экземплярах
мультипроцессоров нами разработаны параллельные программы решения ряда производственных задач – трехмерные задачи адиабатической газовой динамики, газовой динамики с учетом теплопроводности, трехмерные задачи переноса нейтронов в кинематическом приближении, двухмерные задачи газовой динамики с учетом теплопроводности на нерегулярной сетке и т. д.
Один образец нашей машины был куплен Ливерморской национальной лабораторией США для отладки тех программ, которые мы
разрабатываем по ее заказу. Сейчас ведутся интенсивные работы по
созданию следующей мультипроцессорной системы с производительностью 120–240 гигафлоп, с последующим наращиванием ее до мощности в 1 терафлоп. Будучи базовой моделью в ряду МП-Х, этот мультипроцессор позволит создать в будущем году аналог современных
суперЭВМ США типа ASCI RED и Origin 2000. Сейчас они аналогов в
России не имеют» [63].
Из воспоминаний Александра Андреевича Самарского (1919–
2008) академика, лауреата Ленинской и Государственных премий, Героя социалистического труда [10]: «В 1953 г. был создан Институт
прикладной математики, и там наша лаборатория стала отделом.
– Директором был Мстислав Всеволодович Келдыш, его заместителем – Тихонов, а я – начальником отдела. Наш отдел был самым
крупным в институте. Чуть позже появился отдел, который возглавил
Охоцимский. Это уже космос…»
209

Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша (ИПМ РАН)
(далее – Институт) был образован в 1953 г. для решения сложных математических проблем, связанных с государственными программами исследования космического пространства, развития атомной и термоядерной энергетики, на основе создания и широкого использования вычислительной
техники и программного обеспечения. Его организатором и директором (1953–
1978) был президент Академии наук СССР Мстислав Всеволодович Келдыш.
С первых же лет деятельность Института, ориентированная на решение
крупных прикладных задач, базируется на фундаментальных научных исследованиях в области математики, механики, кибернетики, информатики, которые
ведутся его сотрудниками. В ИПМ работают 4 академика, 5 членов-корреспондентов Российской академии наук, 74 доктора и 224 кандидата наук. Среди
них 14 лауреатов Ленинской премии, 30 лауреатов Государственной премии,
5 лауреатов премии Совета Министров СССР.
Организованный в Институте Баллистический центр, начиная с запуска
первого искусственного спутника Земли, успешно решает проблемы баллистиконавигационного обеспечения полетов пилотируемых кораблей, долговременных
орбитальных станций «Салют» и «Мир», многоразовой космической системы
«Энергия-Буран», автоматических аппаратов научного назначения «Луна», «Венера», «Марс» и др., участвует в разработке и реализации международных космических проектов. Мировое признание получили работы по алгоритмическому
и программному обеспечению для транспортных средств нового типа – шагающих роботов, автоматизации ручных операций при сборке изделий машиностроения с помощью адаптивных роботов.
В институте были проведены расчеты уникальных по сложности и объему
задач газодинамики взрыва, защиты от проникающих излучений, сверхзвукового
обтекания летательных аппаратов, детальный нейтронно-физический расчет
ядерного реактора. В начале 60-х гг., задолго до подобных расчетов в США,
были проведены численные эксперименты на ЭВМ, открывшие новую область
прикладной математики – вычислительную электродинамику.
Институт является родоначальником использования электронно-вычислительной техники в Советском Союзе. В нем была установлена первая серийная
отечественная ЭВМ и организовано первое в стране структурное подразделение,
выполнившее пионерские работы по созданию программного обеспечения. В
1963 г. был реализован транслятор с алгола-60 – один из первых в мире трансляторов с полной версии языка, система ИС-2 – первая мини-ОС. Линия разработки системного обеспечения ЭВМ в дальнейшем получила развитие в полномасштабных операционных системах ДИСПАК и ОС ИПМ, оптимизирующем компиляторе с языка Фортран, комплексе программ ГРАФОР для графического вывода информации, в работах по архитектуре и программному обеспечению суперЭВМ, многомашинных комплексов и сетей. Важное место в деятельности института занимают работы по системному обеспечению прикладных задач: система
программирования и отладки аппаратуры многоразового корабля «Буран», система управления объектами в реальном времени, информационно-поисковые
системы для различных областей, системы автоматизации проектирования и
производства (CAD/CAM), инструментальные системы построения пакетов прикладных программ. Много внимания уделяется в Институте подготовке квалифицированных научных кадров. Институт является базовой организацией для таких
вузов, как МГУ, МИФИ и МАИ. Здесь работает кафедра прикладной математики
МФТИ. Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша определен головной
организацией по ряду ведущих направлений прикладной математики. Работы
института получили широкое признание в нашей стране и за рубежом. От него в
разное время отпочковались и стали ведущими по своим направлениям такие
организации Российской академии наук, как Вычислительный центр, Институт
космических исследований, Институт математического моделирования. Сейчас
Институт возглавляет член-корреспондент РАН Попов Ю. П.



210

10 июня 1948 г. за подписью И. В. Сталина с грифом «совершенно секретно (Особая папка)» выходит Постановление Совета Министров СССР № 1990–774 сс/оп «О дополнительных заданиях по плану
специальных научно-исследовательских работ на 1948 год», в котором
в 9-м пункте говорится о предоставлении «в первоочередном порядке»
нескольким ученым квартир и комнат. В то время кандидат геофизических наук А. А. Самарский и кандидат физико-математических наук
А. Д. Сахаров могли претендовать только на комнаты, которые они и
получили. Но самое главное: именно этим постановлением они вошли
в чрезвычайно узкий круг людей, которым поручалось произвести
расчеты ПО конструкций РДС-1, РДС-2, РДС-3, РДС-4, РДС-5 с различными вариантами уравнения состояния. (Аббревиатура РДС скрывала атомную бомбу, а ПО – ее центральную часть из плутония-239.)
О том времени академик Александр Андреевич Самарский в беседе [10] с известным журналистом и историком ядерной и ракетнокосмической отраслей В. С. Губаревым вспоминает с грустью, мол,
годы были молодые, радостные, хотя жизнь складывалась драматически, а подчас даже трагически:
«– По линии Академии наук нашей лаборатории как бы не существовало, да и в атомное наше министерство мы официально не входили – засекречены мы были очень сильно! – но тем не менее нельзя
забывать о тех людях, которые сделали первые расчеты атомной бомбы…
– Есть классический вопрос журналиста: кто вы? Подразумевается, что вы должны представиться: откуда родом, где и когда родились, как начинали свою трудовую биографию?
– Родился в деревне, учился в Донецке, окончил школу в Таганроге. Кстати, школу им. Чехова. Вполне понятно, что именно в этой
школе была большая тяга к литературе практически у всех учеников.
У меня хорошо шла математика и физика, но чеховская традиция сказывалась: я решил поступать в литературный институт, тем более что
уже писал пьесы… Однако мои учителя по физике и математике «восстали» – они потребовали, чтобы я поступал на физический факультет
МГУ. Ослушаться своих учителей я не мог, а потому последовал их
совету. Мне было 18 лет, и казалось, что все в жизни определилось…
Но пришла война, и 6 июля 1941 г. я подал заявление в дивизию
народного ополчения…
– Но вы же были студентом?!
– Да, я мог получить бронь, но для нашего поколения главным
было Отечество, его защита.
– И где воевали?
– Сначала там, где полегло практически все московское ополчение, – на реке Угра. Ну а потом началось наступление. 12 декабря в
211

разведке я попал на мину. Из меня вытащили более тридцати осколков – было множество операций. Однако восемь осколков так и осталось во мне, достать их хирурги не смогли. В сентябре 42-го г. я выписался из госпиталя. Вышел оттуда на костылях… Это было в Хакасии.
Родные у меня остались в Таганроге, а он был оккупирован немцами.
Университет из Москвы был эвакуирован и находился, кажется, в Ашхабаде. Что же мне делать? И меня направили учителем в школу на
золотой прииск „Коммунар“. Преподавал математику… Там я проработал больше года.
– Наверное, думали, что останетесь в Сибири навсегда?
– Так и могло случиться, но у меня в Москве был друг, с которым я переписывался. Он учился в Военной академии, но все-таки
съездил в университет и добился-таки, чтобы меня вызвали на учебу.
И уже в декабре 43-го я вернулся в Москву. Мой учитель – членкорреспондент Тихонов…
– Будущий знаменитый математик – академик Тихонов?
– Да, да, именно он!.. Я посещал много семинаров, и так как
очень сильно „изголодался“ по науке, то был активен и любознателен,
а потому многие профессора предлагали мне заниматься у них. Но
выбор, к счастью, пал на Андрея Николаевича Тихонова. Он был молод, азартен и необычайно талантлив. В 16 лет экстерном закончил
школу, поступил в университет, очень быстро добился успеха – теорема его имени вошла в мировую науку, он решил ряд интересных
задач. Потом стал работать в Геофизическом институте, потому что
его привлекали прикладные задачи… Ну а я лишь искал свой путь. У
меня была даже опубликована одна работа по теоретической физике…
Андрей Николаевич вдруг решил, что мне следует попробовать и в
экспериментальной физике. Слово учителя – закон! Я на своих костылях ковылял по лаборатории и сразу же возненавидел этот раздел физики. Вернулся к теоретическим работам. На защите диплома мои оппоненты предлагали сразу дать мне кандидатскую степень – работа
действительно получилась хорошей…
– Она была по физике или математике?
– По математике, но с физическим содержанием… Я уточняю
это, потому что именно сочетание физики и математики во многом
определило мою будущую судьбу в науке… Кстати, именно Тихонов
возразил против того, чтобы мне дали кандидатскую степень!
– Почему? Ведь ему как учителю это было лестно, не правда ли?
– Он сказал так: „Если мы дадим ему степень, то как иногородний он обязан будет уехать из Москвы. А аспирантура даст ему возможность еще три года быть в университете!“ Это было мудрое
решение, потому что, когда я заканчивал аспирантуру, у меня уже бы212

ло около двадцати опубликованных работ. Я пробовал себя в разных областях, в том числе в применении численных задач в химической физике.
– Для нормальных людей – это область терра инкогнита…
– А может быть, наоборот?!
– В таком случае уточню: для подавляющего большинства людей…
– С этим уже можно согласиться… А просто это можно объяснить
так: есть модели разного уровня или, как мы говорим, «разного ранга».
Математики исследуют принципиальные проблемы… Поначалу было
иначе – от нас требовался ответ на конкретный вопрос, но из частных
задач ничего принципиально нового не получишь, а потому меня, конечно же, интересовали глобальные проблемы. Просто это интересно!
Нельзя полагаться, что наука будет развиваться стихийно, удовлетворяя свои внутренние потребности саморазвития и самоорганизации. Наука должна выполнять неотложный социальный заказ, содействуя научно-техническому прогрессу не в отдаленном будущем, а
уже сегодня. Нельзя пользоваться такой моделью (имеющей немалое
число сторонников): сначала проводить фундаментальные исследования, а затем искать, где их можно использовать. Необходимо найти
пути развития науки в заданном направлении, связанном с решением
определенных крупных проблем. По-видимому, для этого могут быть
применены методы управления ресурсами (материальными и людскими). Важно помнить, что все проблемы нужно решать быстро и на
высоком научном уровне. Требуемый уровень прикладных работ возможен только на основе фундаментальных исследований, которые
носят ориентированный характер. В связи с развитием и применением
вычислительной техники особая ответственность ложится на математику. Современная прикладная математика должна, выполняя социальный заказ, решать то, что нужно и как нужно.
– Как идет поиск глобальных задач?
– Пути разные. К примеру, я перелистывал однажды старые журналы по физике и нашел там статью молодых Ландау и Иваненко, в
ней говорилось о структуре атома, о некоторых особенностях процессов, которые шли в нем… В общем, мне удалось доказать, что их выводы ошибочны.
– Это вызвало сенсацию?
– Эта работа стала моей кандидатской диссертацией. Кстати, она
была весьма невелика: двадцать страниц введения и двадцать страниц
текста. Оппонентом на защите у меня был академик Петровский, он
написал блестящий отзыв.
– После защиты и окончания аспирантуры вы должны были
уехать из Москвы?
– Так и случилось бы, но в это время вышло секретное постановление ЦК партии о создании математической лаборатории для реше213

ния задач, связанных с созданием атомной бомбы. Было некое совещание на высшем уровне, где Тихонов предложил провести расчеты
атомной бомбы… Кстати, на этом совещании присутствовал и Ландау,
который заявил, что „если подобное можно сделать, то это будет
научный подвиг!“ Тем не менее предложение Тихонова было принято,
и появилась крошечная лаборатория, в которой было всего несколько
человек – математиков. И набрали около тридцати девушеквычислителей, которые окончили геодезический институт.
– Вместо вычислительных машин?
– Да… И перед нами поставили задачу: создать „числовую модель атомной бомбы“.
– И именно тогда спецкомитет выделил вам и кандидату наук
Сахарову по комнате?
– Именно так, потому что мне негде было жить… Однако выполнено постановление было только в конце 50-го г. Так как я был холостой, то не очень законно продолжал жить в общежитии университета,
а потом уже начал снимать жилье… Впрочем, основное время проводили на работе – ведь срок для работы нам был отведен очень маленький: всего около года! А ведь эта задача была высшей категории
сложности, да и к тому же у физиков были весьма неточные данные…
Их модели были очень грубые, приближенные… С ними они и оперировали… А мы с Андреем Николаевичем Тихоновым договорились,
что я буду заниматься точными моделями.
– Судя по всему, вы одновременно пришли к финишу?
– Да, к моменту первого испытания нашей бомбы первые результаты у нас уже были… Расхождения составляли всего 30 процентов…
– Всего?!
– Это великолепный результат! Не знаю, как сейчас, но у американцев раньше ни разу расхождений менее 30 процентов не было. Таким образом, наши расчеты оказались весьма точными… В дальнейшем мы свели цифру расхождений до десяти процентов…
– Как же вам это удалось? Думаю, вычислительная техника у
американцев была всегда лучше!
– Исходные данные у нас были взяты правильно. Мы старались
сохранить правильное математическое описание физического процесса, и в этом, убежден, помогло то, что поначалу у меня было физическое образование.
– Значит, на первом месте все-таки математика?
– И именно это определило наш успех. А в Лос-Аламосе расчеты
вели физики. Это принципиальное различие. Но как решать полученные уравнения? Я горжусь тем, что придумал “распараллеливание
вычислений”. В моем подчинении было тридцать девушек. Уравнений
214

было несколько сотен. Получалось приблизительно по десять уравнений на каждую девушку. Они считали как будто независимо, но передавали свои данные друг другу… Я, конечно, несколько упрощаю, но
идея метода, мне кажется, ясна… «распараллеливание вычислений»
дало возможность провести нам расчеты за два месяца, примерно раз в
пятнадцать мы ускорили процесс работы… Это я считаю самым крупным достижением в первый год работы над атомной бомбой.
Использование благ математического моделирования и основанных на нем средств информатики в технологических приложениях
требует серьезных интеллектуальных и организационных усилий.
Симптомы нашего отставания и в этой области от развитых стран,
пожалуй, более тревожны, чем в фундаментальных науках. На Западе
наметился переход к массовому внедрению математического моделирования и вычислительного эксперимента в технологию. Типичными
становятся закупки автомобильными концернами суперЭВМ для расчета полных конструкций автомобилей, в частности при аварийных
ситуациях. Это оказывается очень выгодным делом, поскольку в “авариях” участвуют математические модели, а не дорогостоящие машины. Фирмы, не располагающие соответствующими расчетными методиками, становятся неконкурентоспособными… Создан европейский
консорциум “Математика в промышленности”. Его цели – эффективное использование методов математического моделирования в промышленности и разработка соответствующего каталога задач. На этом
фоне почти не используется накопленный нашими специалистами
уникальный опыт математического моделирования некоторых технологий микроэлектроники, приборостроения, лазерной и термической
обработки материалов.
– А жена не из девушек-вычислителей?
– Нет, она медик. Кстати, узбечка. Ее отец был академикмеханик, он в свое время заканчивал МГУ. А дед – революционер…
Почему вы об этом спросили?
– Я знаю одного академика-атомщика. Он теоретик, а жена занималась как раз вычислениями…
– Вы имеете в виду академика Аврорина?
– Точно!
– Все, кто начинал работать над бомбой, были молоды, а потому
таких «атомных семей» много. То время, конечно же, вспоминается с
добрыми чувствами, хотя было очень трудно, так как на первом этапе
работали с примитивной вычислительной техникой… Но было очень
интересно, это была творческая работа. Численные методы быстро
совершенствовались: буквально через два года я предложил более
точную математическую модель… До 1953 г. мы пользовались ручной
215

техникой и довольно далеко продвинулись в этой области… Я сразу
же понял, что надо заниматься теорией численных методов, и это было правильным, так как удалось продвинуть специальные методы расчетов. Кстати, американцы отстали в этой области – они надеялись на
технику и просчитались.
– Они это признавали: позже подтвердили, что, несмотря на
сильное отставание в вычислительных машинах, мы не уступили им в
главном: в расчетах сложнейших физических процессов, которые
происходят при взрывах атомных и термоядерных бомб… Вы назвали
дату: 1953 год. Неужели после этого вы не занимались оружием?
– Я им занимаюсь всю жизнь…
– Известно участие Келдыша в атомном проекте…. Оно шло
через ваш отдел?
– Да… Появление ЭВМ в 1953–1954 гг. открыло новые возможности для проведения вычислительных экспериментов. На наших довольно слабых компьютерах мы смогли решать все необходимые для
обороны задачи – ведь у нас были разработаны эффективные численные методы и оптимизирована триада “модель – алгоритм – программа”.
– Звучит необычно и красиво!
– А это было одно из достижений, которым я горжусь. Если обратиться к той же бомбе, то схема выглядела приблизительно так. Было некоторое разделение между расчетными группами. Сначала проводился обсчет процесса сжатия – это своеобразная подготовка к
взрыву, а затем эти данные и расчеты поступали в наш отдел, где и
обсчитывались все процессы, связанные с взрывом… Любопытно, что
задание писалось прямо у меня в кабинете. К примеру, приезжал Сахаров и тут же на моем столе давал нам задания… Кстати, я передал
недавно в Саров, т. е. в Арзамас-16, мою тетрадь, в которой Сахаров,
Зельдович и Бабаев вели записи.
– Вы имеете в виду расчет термоядерной бомбы?
– Еще до появления машин у нас было огромное количество вычислений – ведь к этому времени мы уже шесть лет вели расчеты.
– И у вас не было конкурентов?
– В разное время, на том или ином этапе они появлялись, но
неизбежно наши конкуренты проигрывали… В конце концов Келдыш
полагался только на нас и, насколько мне известно, к другим группам
математиков не обращался.
– У вас была информация от американцев?
– Я даже не знал о существовании шпионов в этой области!.. Ни
разу и ни от кого – а я на первом этапе много общался с Таммом, Сахаровым и Зельдовичем – не получал ни единой информации, ни единой цифры или идеи! Подчеркиваю – ни разу! И сразу же добавляю: к
216

счастью, потому что это позволило идти своим путем и в конце концов опередить американцев. Так что заимствование могло быть только
в другую сторону: от нас к американцам.
– И как долго вы работали на атомный проект?
– Очень активно – где-то до 80-го г. Потом сотрудничали лишь
эпизодически, когда возникала необходимость… По сути дела, к тому
времени все принципиальные проблемы были решены.
– Вы сказали: „Проблемы были решены“… Именно это и определило то, что крупные ученые – Сахаров и Зельдович – уехали из Арзамаса-16. Кстати, ваше впечатление о них?
– Сахаров, бесспорно, выдающийся человек, лишенный каких-то
комплексов. Он сочетал в себе талант прозорливого физика и математика. Но ему приписали определение „отец водородной бомбы“, и это
неверно, так как это обидело многих физиков, которые работали с Сахаровым. Да и не нужно это было делать, потому что Сахаров не нуждался в возвеличивании – сам по себе он был выдающийся ученый и человек.
– А Зельдович?
– Он уникален по-своему… Реактивный тип – готов был наброситься на любую проблему, но ему не хватало общематематической
культуры. Он схватывал идеи быстро, но разбросанность в его характере все-таки была… И в то же время общаться с ним было легче, чем
с Сахаровым… Кстати, он был у меня оппонентом при защите диссертации, дал на нее хороший отзыв. Но почему-то он считал, что я должен больше заниматься физикой, чем математикой. А это абсолютно
неверно!.. Любопытный он был человек, но слабинки все же были – мог
стать бестактным, обижал людей. Мне он напоминал капризное дитя.
– А Келдыш?
– В нем был аристократизм… Что к этому добавить? В атомном
проекте я забыл упомянуть Юрия Романова. Прекрасный ученый! Он
холодноват, но не в науке. И бесспорно, давно уже заслужил право
быть членом академии, а его даже в члены-корреспонденты не избрали. Это несправедливо! К сожалению, ко многим это относится. К тому же Феоктистову, Щелкину…
– Докторская диссертация была такая же краткая, как и кандидатская?
– Что вы! Там уже было 800 страниц текста!.. Имейте в виду, что
созданные нами методы, алгоритмы и комплексы программ позволили
перейти к применению циклов исследований методами вычислительного эксперимента многих актуальных задач ядерной физики, физики
плазмы и управляемого термоядерного синтеза, автокаталитических
процессов в химии, задач лазерной термохимии и конвенции.
217

– Я хочу задать вам более общий вопрос: что вы считаете самым важным в науке во второй половине XX века?
– Вы надеетесь, что я назову атомную проблему?
– Честно говоря, да.
– И это действительно так!.. Чтобы там ни говорили, но мы
спасли человечество от термоядерной войны. Достоверно известно,
что американцы разработали десять сценариев нападения на СССР, и
могла случиться трагедия, которая поставила бы критическую точку в
истории цивилизации. Нам, именно нам удалось предотвратить катастрофу, и сознание этого придавало нам колоссальный импульс. Я –
фронтовик и пережил войну, а потому знаю ей цену. И мы работали
над предотвращением новой войны с полной отдачей, самоотверженно, бескорыстно.
– А потому было обидно, что забыли о вас во время торжеств,
посвященных 50-летию создания советской атомной бомбы?
– Дело не в забывчивости. Когда-то меня избрали в членыкорреспонденты АН СССР всего за несколько любительских работ, о
главных тогда не говорили – все было совершенно секретно. А ведь в
общей сложности их набралось около 500! Уже это говорит о масштабах участия нашей лаборатории в атомном проекте. Второе, чем я
горжусь: я – своеобразный чемпион по числу книг в области вычислительной математики. Эти книги стали результатом разработок крупных задач как по атомной тематике, так и по лазерному управляемому
синтезу. И как результат всего – создание теории численных методов.
Историческая задача преобразования российского общества оказалась значительно более трудной, чем это представлялось перед
началом реальных реформ, вскрывших истинный масштаб проблем,
их сложность и неповторимость, сопровождающиеся острым недостатком ресурсов и дефицитом времени. Цена ошибок и некомпетентности становится столь высокой, что может поставить под сомнение
конечный успех не только отдельных направлений, но и судьбу реформы в целом. Жизненно важно мобилизовать и привести в действие
все имеющиеся в стране интеллектуальные резервы в сфере методологии анализа, прогноза и принятия решений по важнейшим вопросам
общества. Наиболее доступным и эффективным резервом является
методология, основанная на методах математического моделирования.
Именно она необходима при формировании национальной научнотехнической и социальной политики.
– Мы сохраним лидерство?
– На этот вопрос трудно отвечать… Я не очень хорошо знаю, что
происходит в Китае. Такое впечатление, что они затаились перед
прыжком.
218

– У вас есть основания так думать?
– Я сужу по тому, что они переводят. Очень квалифицированно
отбирают нужную литературу, внимательно следят за тем, что происходит в мировой науке. Мне кажется, что в XXI в. именно им суждено
стать лидерами...
И еще некоторые размышления о науке. Мир нелинеен, т. е. основные законы развития неживой и живой природы (от микро- до
макромира), в том числе социальных и экономических структур, являются нелинейными. Это означает, в частности, что возможно несколько путей эволюции сложного объекта, т. е. будущее неоднозначно определяется настоящим (начальными условиями) и его нельзя
предсказать, опираясь только на предшествующий опыт. Оптимальный путь эволюции надо выбирать, опираясь на знание законов его
развития, его нужно вычислять и управлять. Это задача сложная и
трудная, однако жизнь требует ее решения.
Компьютеризация образования сама по себе не может решить
проблему кадров. Ее смысл в другом – создать образовательный фон и
психологические предпосылки для достаточно широкого выпуска
среднеквалифицированных специалистов (пользователей новой методологии). Для подготовки же высококвалифицированных разработчиков требуются интенсивные и концентрированные мероприятия. Одно
из них – создание в крупнейших вузах центров по математическому
моделированию. Этот шаг весьма перспективен и отвечает природе
высшей школы. Многоцелевой характер математического моделирования позволит объединить усилия ученых разных специальностей,
работающих в вузах, поможет синтезу научного и учебного процессов
без распыления средств по факультетам и кафедрам. Без привлечения
крупных капиталовложений будет достигнут значительный рост доли
исследовательских работ в вузах».

4.5. Создание системы противоракетной обороны
и суперЭВМ
Существенно большее значение по сравнению с атомным проектом вычислительная техника имела для решения проблемы противоракетной обороны. Из воспоминаний академика РАН В. С. Бурцева
[39]: «В один прекрасный день меня вызвали в кабинет директора,
академика Сергея Алексеевича Лебедева. В кабинете сидел моложавый мужчина средних лет в погонах полковника. Шла непринужденная беседа о возможности построения ПРО. Видно было, что Григорий
Васильевич Кисунько (полковник) отвечает на вопросы С. А. Лебедева
с большим удовольствием, так как вопросы были не праздные, и собе219

седники быстро стали единомышленниками. Надо сказать несколько
слов о предыстории. Дело в том, что Сергей Алексеевич как бы предвидел эту проблему, и мы уже более трех лет вели работы по съему
данных с радиолокатора в цифровом виде. Работы велись в интересах
противосамолетной обороны, и в нашей лаборатории к этому времени
была создана специальная ЭВМ «Диана-1», на которой мы провели
натурные испытания в Кратово, в которых показали возможность одновременного сопровождения нескольких целей с помощью вычисления траектории в цифровом виде.
Беседа Сергея Алексеевича с Григорием Васильевичем закончилась обоюдным согласием в том, что решить поставленную проблему
можно только с помощью цифровых вычислительных систем. Наиболее узкими местами являются точностные характеристики системы
(наведение противоракеты с точностью не менее 25 м) и временная
синхронизация данных системы, в особенности выдача сигнала подрыва противоракеты с точностью до микросекунд. Не ясно было также
воздействие осколочного заряда в безвоздушном пространстве.
Г. В. Кисунько рассказал свои идеи решения этих проблем – метод
определения координат головок баллистический ракеты дальнего действия (БРДД) и противоракеты по трем дальностям, измеренным разнесенным в пространстве радиолокаторам точного наведения (РТН), и
возможность привязки всей системы к единому временному масштабу.
Мне разговор очень понравился (я только слушал) потому, что он
был очень содержательным, велся на профессиональном уровне и,
самое главное, наверное, потому, что было ясно – без вычислительной
техники и нашей последней работы по съему данных с РЛС решить
эту задачу невозможно.
После встречи Сергея Алексеевича с Григорием Васильевичем
реакция была молниеносной. На следующий день к нам в лабораторию прислали группу специалистов высшего класса с целью изучения
работ по съему данных с РЛС и принципам работы вычислительной
техники. Освоение этих вопросов было столь эффективным и быстрым, что уже через месяц КБ-1 (отдел Г. В. Кисунько) приступил к
разработке цифровых радиолокаторов слежения за целью практически
без нашей помощи и консультации. Должен отметить, что раньше, чем
Григорий Васильевич, с нашими работами познакомился сам академик
А. Л. Минц. Результат был несколько иной. А. Л. Минц прислал одного человека для изучения проблемы, который прежде всего написал
диссертационную работу по селекции сигнала РЛС и его оцифровки. В
это время мы заканчивали в Курске систему наведения истребителей
на цели с помощью ЭВМ «Диана-1» и «Диана-2». Несмотря на то что
испытания прошли положительно, эти идеи использования дискрет220

ной вычислительной техники в контуре наведения были реализованы
много лет спустя. Лет 20–30 еще выпускались вычислительные системы непрерывного действия на коноидах и сельсинах.
Часто мне и другим специалистам задают вопрос: «Надо ли было
проводить работы такого масштаба по ПРО?».
Необходимо отметить, что среди научно-технической общественности не было единого мнения о необходимости проведения работ по столь дорогостоящей проблеме. Если бы, наверное, не инициатива Дмитрия Федоровича Устинова, эта работа не состоялась бы, так
как много уважаемых конструкторов военных систем были против нее.
Выскажу свое мнение по этому вопросу, рассматривая два различных аспекта значения этой работы: политический и научнотехнический.
Думаю, что некоторое политическое значение эта работа имела,
так как после успешного ее испытания Н. С. Хрущев в своих выступлениях занял более жесткую позицию в международной политике.
В то же время, если бы у нас не было многолетнего провала в работах по этому направлению в связи с уходом Г. В. Кисунько и соответствующей переориентацией в построении подмосковной системы,
наш потенциальный противник не имел бы тех политических преимуществ, которые он имеет сегодня, говоря о космических войнах.
Остановлюсь более подробно на научно-техническом значении
проблемы ПРО в развитии вычислительной техники. Создание экспериментального комплекса ПРО потребовало от вычислительных
средств не только повышенного быстродействия, но и возможности
работы в системе реального времени в комплексе вычислительных
средств, разнесенных на большие расстояния (создание вычислительных сетей), построения мощных вычислительных комплексов обработки эксперимента, вычислительных комплексов крупных систем
управления и информационных вычислительных центров, таких как
центр контроля космического пространства и др.
Рассмотрим некоторые из вышеперечисленных комплексов. Так,
для решения проблемы уничтожения БРДЦ, поставленной перед нами
Григорием Васильевичем, как уже говорилось, потребовалось создать
высокопроизводительную вычислительную сеть, в которой производительность центральной ЭВМ достигла бы 40 тыс. oп/с (в то время к
этому пределу только приближались зарубежные ЭВМ).
Создание этой машины под названием М-40 было закончено в
1958 г. Для достижения столь высокой производительности были существенно пересмотрены принципы организации системы управления ЭВМ.
Каждое устройство машины: управление командами (УК), арифметическое устройство (АУ), оперативно-запоминающее устройство
221

(ОЗУ), управление внешними устройствами (УВУ) – получило автономное управление, что позволило реализовать их параллельную работу во времени. С этой целью создан мультиплексный канал обращения к ОЗУ со стороны УК, АУ и УВУ.
Эти устройства рассматривались как самостоятельно работающие процессоры, обращающиеся к общему ОЗУ, т. е. как машина,
фактически представлявшая собой многопроцессорный комплекс.
Согласно временной диаграмме М-40, обращение к памяти УК
(А, А2, A3 и NK) и работы УВУ, включая систему передачи данных,
процессор ввода-вывода данных (ПВВ), происходили, как правило, на
фоне работы АУ, УК.
В экспериментальном комплексе противоракетной обороны
(ПРО) эта машина осуществляла обмен информацией по пяти дуплексным одновременно и асинхронно работающим радиорелейным
каналам связи с объектами, находящимися от нее на расстоянии от
100 до 200 км, общий темп поступления информации через радиорелейные линии превосходил 1 МГц.
Проблема обмена информации с асинхронно работающими объектами была решена с помощью процессора ввода-вывода (ПВВ), работа которого основывалась на принципе мощного мультиплексного
канала, имеющего свою память, доступную для всех каналов.
Одновременно с проведением боевой работы М-40 осуществляла
запись на внешнее запоминающее устройство (барабан) экспрессинформации, которая обрабатывалась на аналогичной ЭВМ М-50 (модернизация М-40, обеспечивающая работу с плавающей запятой). Боевые пуски по всем направлениям входа и выхода сопровождались записью информации на магнитные ленты контрольно-регистрирующей
аппаратуры (КРА). Это давало возможность в реальном масштабе
времени «проигрывать» и анализировать каждый пуск, для чего ЭВМ
М-40 и М-50 имели развитую систему прерываний.
Опыт эксплуатации экспериментального комплекса ПРО показал, что его вычислительные средства можно рассматривать как
«мозг» всей системы; малейшие отклонения от нормы их функционирования приводят к нарушению работы всего комплекса, что может
вызывать опасные ситуации.
Поэтому при создании вычислительных средств на полупроводниковых элементах для боевого комплекса особое внимание было
уделено устойчивости его работы при сбоях и отказах. Вычислительная сеть системы ПРО имела протяженность несколько сот километров. Она состояла из вычислительных комплексов, каждый из которых
был построен из идентичных боевых ЭВМ, обладающих полным пооперационным аппаратным контролем. Резервирование в комплексе
обеспечивалось на уровне машин.
222

На десять функционально работающих машин (M1–М10) предусматривалось две машины (М11–М12) для горячего резервирования,
которые работали в режиме «подслушивания» и были готовы в течение нескольких десятков миллисекунд заменить любую из вышедших
из строя ЭВМ. Сигнал неисправности ЭВМ вырабатывался аппаратно
системой пооперационного контроля каждой ЭВМ и посылался в систему прерывания всех машин. По межмашинному обмену, наряду с
данными боевого цикла, передавалась необходимая экспрессинформация для ЭВМ, находящейся в резерве. В этом комплексе
шесть ЭВМ (М1-М6) решали задачу обнаружения целей по данным
радиолокатора дальнего действия и построения их траекторий. Четыре
ЭВМ (М7-М10) решали задачи управления системой, включая задачу
распределения целей по стрельбовым комплексам.
Эти ЭВМ под названием 5Э926 имели производительность
0,5 млн оп/с над числами с фиксированной запятой и ОЗУ объемом
32 тыс. 48 разрядных слов. Все основные устройства ЭВМ имели автономное управление, а управление внешними устройствами осуществлялось процессором передачи данных, имеющим довольно развитую специальную систему команд. Серийный выпуск этих машин
для управления различными стационарными средствами вооружения
был начат с 1966 г. Машина была модернизирована в части введения
арифметики с плавающей запятой и мультипрограммного режима.
Модернизированная ЭВМ имела название 5Э51 и серийно выпускалась с 1967 г. для построения мощных вычислительно-информационных центров повышенной надежности. Благодаря автономной
работе ее основных устройств и, в первую очередь, процессора вводавывода, на базе общего ОЗУ эти машины успешно использовались при
создании многомашинных комплексов с единой внешней памятью,
состоящей из большого количества барабанов, дисков и лент.
После окончания работ по штатной системе Григорий Васильевич поставил новую задачу перед так называемыми вычислителями.
Потребовал для детального анализа отраженного сигнала вычислительные средства производительностью 100 млн скалярных операций,
в то время как наиболее быстродействующая суперЭВМ Cray имела не
более 5 млн oп/сек. Это можно было сделать только на новых архитектурных принципах.
Если М-40 можно отнести к многопроцессорной системе со специализированным процессором ввода и вывода, а функционирующие
несколько позднее зарубежные многопроцессорные ЭВМ фирм Борроуз и Хьюлетт – Паккард были построены в первую очередь для
обеспечения надежности комплекса (горячее резервирование) процессоров, то нам предстояло создать многопроцессорные системы с це223

лью увеличения производительности комплекса (сложение производительности процессоров). Мирового опыта в этом не было или был отрицательный у ПВМ (при увеличении процессоров выше трех повышения производительности практически не наблюдалось). Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2» первыми доказали возможность увеличения производительности системы с увеличением числа процессоров до 10.
Производительность многопроцессорной системы в основном
ограничивается двумя факторами: пропускной способностью коммутатора между процессорами и ОЗУ и сложностью организации корректной работы сверхоперативной кеш-памяти. Трудности, возникающие при решении этих двух проблем, существенно увеличиваются с
ростом количества процессоров. Пропускная способность коммутатора «Эльбрус-2» достигала 2 Гб/с. Корректность работы сверхоперативной памяти была обеспечена путем ее разбиения на несколько частей, каждая из которых имела свой алгоритм работы в соответствии с
выполняемой функцией. Так, в МВК «Эльбрус-2» имеется: сверхоперативная память команд, массивов, локальных данных, безадресный
буфер быстрых регистров, построенный по принципу потока данных и
буфер глобальных данных. Корректность работы буфера глобальных
данных с ОЗУ вызывает те же проблемы в многопроцессорном комплексе, которые возникают в сверхоперативной кеш. В МВК «Эльбрус-2» реализована схема корректности работы этого буфера, которая
обеспечивает корректную работу комплекса, практически не замедляя
ее вне зависимости от числа процессоров. Аналогичные схемы, используемые в современных комплексах фирмы Hewlett Packard (SPP2000) и Selicon Graphiks, существенно уступают по эффективности
схеме МВК «Эльбрус-2».
МВК «Эльбрус-2» создавался в два этапа:
– на первом этапе отрабатывались новые архитектурные принципы, включая программное обеспечение;
– на втором этапе наряду с принципами архитектуры отрабатывалась новая конструкторско-технологическая база.
На первом этапе был реализован 10-процессорный комплекс
«Эльбрус-1» производительностью в 15 млн оп/с на элементноконструкторской базе 5Э26 и ТТЛ-элементах с задержкой 10–20 нс на
вентиль. На втором этапе – МВК «Эльбрус-2» производительностью
120 млн оп/с и объемом ОЗУ 160 Мб, построенный на элементной базе
типа Motorola 10000 с задержкой 2–3 не на вентиль.
МВК «Эльбрус» построен по модульному принципу и в зависимости от комплектации может включать необходимое количество центральных процессоров (1–10), модулей оперативной памяти (4–32),
224

процессоров ввода-вывода (ПВВ) (1–4), устройств внешней памяти
(барабанов, дисков, магнитных лент), процессоров передачи данных
(ППД) (1–16) и устройств ввода-вывода, подключенных либо непосредственно к ПВВ, либо через линии передачи данных посредством
ППД. Каждый компонент комплекса, включая разнесенные по ним
узлы центрального коммутатора, имеет стопроцентный аппаратный
контроль и при появлении хотя бы одиночной ошибки в ходе вычислительного процесса выдает сигнал неисправности. По этому сигналу
операционная система через аппаратно реализованную систему реконфигурации исключает неисправный модуль из работы.
Отключенный модуль попадает в ремонтную конфигурацию, в
которой посредством тест-диагностических программ и специальной
аппаратуры ремонтируется, после чего может быть включен операционной системой в рабочую конфигурацию.
Описанная структура позволяет осуществить резервирование на
уровне однотипных модульных устройств. Время подключения резервного модуля не превосходит 0,01 с, что обеспечивает бессбойную
работу комплекса с заданной надежностью для всех боевых систем.
Таким образом, в процессе создания вычислительных средств системы ПРО СССР занимал передовые позиции в мире в области развития архитектуры суперЭВМ и схемотехническом решении вычислительной техники, таких как:
 организация мультиплексных каналов связи;
 создание вычислительных систем, объединяющих далекоразнесенные объекты;
 создание высокоскоростных самовосстанавливающихся вычислительных комплексов сначала на базе машинных, а затем на базе
функциональных модулей (центральных процессоров (ЦП), оперативной памяти (ОП), процессоров ввода вывода (ПВВ), процессора приема передачи данных (ППД);
 повышение производительности многопроцессорного комплекса за счет сложения производительности процессоров;
 организация работы комплекса на общее поле внешней памяти;
 обеспечение высокой достоверности выдаваемой информации
и аппаратно-программной диагностики;
 обезличенную работу модулей центральных и специализированных процессоров и возможность адаптации комплекса к решаемым
задачам за счет подключения специализированных процессоров;
 решение проблемы когерентности кеш с минимальными потерями.
Новый толчок получило развитие радиолокации, теория и практика ракетостроения. Главным конструктором РЛС дальнего действия
В. П. Сосульниковым впервые в мире была создана станция обзорного
225

действия с селекцией сигнала в цифровом виде с дальностью обнаружения в 5 тыс. км. Заставили лететь такую ракету-спринт (фактически
снаряд), которую не могли заставить лететь в контуре управления на
базе непрерывной техники. Существенное развитие получили цифровые системы моделирования. Натурным испытаниям предшествовало
исследование контуров управления с достоверными цифровыми моделями поведения ракет.
Помню, как О. В. Голубев и Н. К. Свечкопал ежедневно по ночам
забирали все машинное время вычислительного комплекса для отработки системы управления всего комплекса, а в одно прекрасное утро,
когда я входил в зал вычислительного комплекса, Олег Голубев, несмотря
на бессонную ночь, был в хорошем настроении и сказал, что ракетаспринт полетит. И действительно, через некоторое время она полетела.
Новое развитие получили комплексы обработки натурных испытаний. Каждый удачный или неудачный «пуск» мы имели возможность полностью повторить и исследовать поведение системы в любой
момент времени как на боевом комплексе, так и на специальном вычислительном комплексе обработки экспресс-информации. На базе
мощных вычислительных комплексов в ряде институтов развивались
исследовательские центры моделирования различных ситуаций поведения систем военного назначения, а также комплексы контроля космоса и
состояния самого земного шара на основании данных со спутников.
Таким образом, именно система ПРО дала мощный толчок внедрения высокопроизводительных вычислительных средств в народное
хозяйство. Именно под эту систему впервые были созданы коллективы разработчиков и конструкторских бюро по созданию высокопроизводительных комплексов в Москве, Загорске, Пензе и других городах
СССР. Именно эти коллективы, имея опыт создания вычислительных
средств ПРО, успешно справились с созданием в кратчайшие сроки вычислительных средств для системы С-300 генерального конструктора,
академика Б. В. Бункина. Помню, как он отчитывал на полигоне своих
разработчиков цифровой техники за то, что у них, что ни работа – то
отказ. А когда они оправдывались и говорили, что это интегральные
схемы не достаточно надежны, Б. В. Бункин сказал: «Все интегральные
схемы одинаковые, однако у вас отказывают, а у «вычислителей» (ИТМиВТ) отказов нет». В этот момент я подумал, что не зря мы получили
опыт создания ПРО – мы научились делать отказоустойчивые системы.
Если при создании ПРО по вине «вычислителей» было загроблено немало пусков, включая и полет ракеты на Караганду, то при отработке
системы С-300 на нашем счету было не так много испорченных пусков.
Наряду с вышеперечисленными вычислительными системами,
успешно были освоены заводами высокопроизводительные специали226

зированные комплексы главного конструктора М. А. Карцева. Большое значение в развитии вычислительных средств имели информационно-вычислительные комплексы, создаваемые под руководством
академика А. И. Савина.
Был создан высококвалифицированный коллектив разработчиков
и технологов вычислительных средств, в первую очередь, за счет работ, проводимых по тематике ПРО. Создание высокопроизводительных вычислительных средств требовало создания и необходимой для
их реализации элементной базы. Под заказ ПРО были поставлены разработки самых быстродействующих интегральных схем, разъемов,
кабелей, высокопрецизионных печатных плат и других компонент
современной элементной базы.
Решения, которые предлагал Григорий Васильевич, базировались
на более совершенных методах поражения боеголовки баллистической
ракеты дальнего действия (БРДЦ) – точное наведение, осколочный
заряд, частотная селекция, опознавание цели и т. д. Построенная система не содержала перспективных задач и реализовывалась на известных инженерных решениях.
Системы вооружения, создаваемые на базе вычислительных
средств, были конкурентоспособны зарубежным аналогам. Был период, когда мы в области ПРО опередили Америку более чем на 10 лет.
Поэтому, отвечая на вопрос о значении и необходимости работ по
ПРО, я считаю, что значение этого направления работ в создании передовой технологии по многим ведущим направлениям науки и техники
громадно. Строительство же под Москвой ПРО с атомным зарядом не
содержало каких-либо прогрессивных решений в развитии ПРО и не
ставило перед наукой и техникой задач, способствующих их развитию.
Направления работ Г. В. Кисунько базировались на прогрессивных научно-технических методах создания системы ПРО, направляющих на дальнейшее развитие научно-технического потенциала страны,
в то время как последняя подмосковная система ПРО значительно
уступала в этом отношении системам ПРО, разработанным под руководством Г. В. Кисунько».

4.6. ПРО и современное состояние
вычислительных средств
Безусловно, будет вопрос, а каковы состояние в настоящее время
вычислительных средств и причины отставания их развития в нашей
стране? Постараемся коротко ответить. В период до перестройки причиной отставания вычислительных средств было то, что со стороны
правительства недостаточное внимание уделялось элементной базе.
227

Основные средства страны «загонялись» в системы вооружения, по
которым мы не уступали нашему предполагаемому противнику. Элементная база не выводилась на уровень конкурентоспособности с зарубежной. Вычислительные средства военных систем нивелировали
эту ситуацию за счет новых оригинальных архитектурных решений,
которые несколько увеличивали аппаратные средства всего комплекса, что практически не сказывалось на увеличении общей стоимости
системы вооружения. Поэтому неверным будет мнение о том, что мы
отставали в области архитектурных и схемотехнических решений вопросов вычислительной техники. Что же касается послеперестроечного
периода, то здесь нужно искать другие причины, основная из которых –
бездарное распределение государственного бюджета в этой области:
 недооценка значения суперЭВМ как передового фронта развития вычислительной техники;
 закрытие высокопоставленными инстанциями всех проектов
суперЭВМ («Векторный Эльбрус», СС БИС, МКП и ОСВМ);
 разгон коллективов и закрытие институтов ВЦКП, ИПК и ИВВС;
 систематическое вливание бюджетных средств в вычислительную технику без отдачи.
Но, чтобы закончить не на такой печальной ноте, отметим, что
уцелел небольшой коллектив школы С. А. Лебедева, который в настоящее время создал проект суперЭВМ, позволяющей построить вычислительный комплекс рекордной производительности даже на современной элементной базе.

228

Глава 5

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

В 50-х гг. XX в. зародилась и начала интенсивно развиваться область физики, получившая название квантовой электроники. Основной
ее задачей является получение и усиление излучения с помощью квантовых систем – квантовых усилителей и генераторов.
В основе таких квантовых систем лежит открытое теоретически в 1917 г. А. Эйнштейном явление индуцированного излучения.
В течение последующих 35 лет физиками не раз обсуждался вопрос
о возможности его практического использования. Однако первые
реальные предложения о практическом использовании эффекта индуцированного излучения были сделаны только в пятидесятых годах советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и
независимо американскими исследователями Ч. Таунсом и Дж. Вебером, которым удалось построить квантовые усилители – мазеры
(от англ. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Несколькими годами позже А. М. Прохоровым и независимо
А. Шавловым была разработана теория открытых резонаторов и
область квантовой электроники расширилась на инфракрасную и
оптическую часть спектра – появились оптические квантовые генераторы – лазеры (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation). С данного момента работа в этой области развернулась в исключительно широком масштабе и приняла разнообразный
характер. Первоначально исследования в основном были направлены на изучение физической сущности явления. Однако вскоре они
приобрели и техническую направленность – применение квантовых
систем для целей локации, связи, телевидения, навигации, обработки информации и т. д.
Большое значение данных работ для развития науки и техники
отмечено присуждением Нобелевских премий по физике Н. Г. Басову,
А. М. Прохорову и Ч. Таунсу в 1964 г., А. Шавлову в 1981 г.

229

***
Николай Геннадьевич Басов (14 декабря 1922 –
1 июля 2001) родился в деревне (ныне городе) Усмань,
вблизи Воронежа, в семье Геннадия Федоровича Басова
и Зинаиды Андреевны Молчановой. Его отец, профессор
Воронежского лесного института, специализировался на
влиянии лесопосадок на подземные воды и поверхностный дренаж. Окончив школу в 1941 г., молодой Басов
пошел служить в Советскую армию. Во время Великой
Отечественной войны он прошел подготовку на ассистента врача в Куйбышевской военно-медицинской академии
и был прикомандирован к Украинскому фронту.
После демобилизации в декабре 1945 г. Басов изучал теоретическую и экспериментальную физику в Московском инженерно-физическом институте. В 1948 г., за
два года до окончания института, он стал работать лаборантом в Физическом
институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в Москве. Получив диплом, он продолжал обучение под руководством М. А. Леонтовича и А. М. Прохорова, защитив
кандидатскую диссертацию в 1953 г. Три года спустя он стал доктором физикоматематических наук, защитив диссертацию, посвященную теоретическим и
экспериментальным исследованиям молекулярного генератора, в котором в
качестве активной среды использовался аммиак.
Основной принцип, лежащий в основе молекулярного генератора (ныне
известного как мазер, по начальным буквам английского выражения), был впервые разъяснен Альбертом Эйнштейном в 1917 г. Исследуя взаимодействие
между электромагнитным излучением и группой молекул в замкнутом пространстве, Эйнштейн вывел уравнение с тремя членами, которые описывали поглощение и испускание излучения молекулами. Энергия атомов и молекул, связанная с конфигурацией и движением их электронов, ограничена некоторыми дискретными значениями, или энергетическими уровнями. Множество энергетических уровней индивидуально для конкретного атома или молекулы. Фотоны, чья
энергия равна разности двух энергетических уровней, могут поглощаться, и
тогда атом или молекула переходят с более низкого на более высокий энергетический уровень. Некоторое время спустя они спонтанно вновь возвращаются на
более низкий уровень (не обязательно на тот, с которого стартовали) и выделяют энергию, равную разности между прежним и новым уровнями, в виде фотона
излучения.
Первые два члена в уравнении Эйнштейна связаны с уже известными
процессами поглощения и спонтанного излучения. Третий член, открытый Эйнштейном, был связан с переходом с более высокого на более низкий энергетический уровень, вызванный наличием излучения подходящей частоты, чьи фотоны обладали энергией, равной разности между этими двумя уровнями. Поскольку данное излучение происходит не спонтанно, а провоцируется специальными обстоятельствами, оно было названо стимулированным (индуцированным) излучением. Хотя это было интересное явление, его польза была вовсе не
очевидной. Физический закон, сформулированный австрийским физиком Людвигом Больцманом, показывал, что в состоянии равновесия более высокие энергетические уровни заняты меньшим числом электронов, чем более низкие. Поэтому в индуцированном излучении принимает участие относительно мало атомов.
Басов придумал способ, как использовать индуцированное излучение,
чтобы усилить поступающее излучение и создать молекулярный генератор.
Чтобы добиться этого, ему пришлось получить состояние вещества с инверсной

230

заселенностью энергетических уровней, увеличив число возбужденных молекул
относительно числа молекул, находящихся в основном состоянии. Этого удалось добиться с помощью выделения возбужденных молекул, используя для
этой цели неоднородные электрические и магнитные поля. Если после этого
облучить вещество излучением нужной частоты, чьи фотоны обладают энергией, равной разности между возбужденным и основным состояниями молекул, то
возникает индуцированное излучение той же частоты, усиливающее подающий
сигнал. Затем ему удалось создать генератор, направляя часть излучаемой
энергии на то, чтобы возбудить больше молекул и получить еще большую активизацию излучения. Полученный прибор был не только усилителем, но и генератором излучения с частотой, точно определяемой энергетическими уровнями
молекулы.
На Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г. Басов и
Прохоров предложили конструкцию молекулярного генератора, основанного на
инверсной заселенности, идею которого они, однако, не публиковали до октября
1954 г. В следующем году Басов и Прохоров опубликовали заметку о «трехуровневом методе». Согласно этой схеме, если атомы перевести из основного состояния на наиболее высокий из трех энергетических уровней, на промежуточном уровне окажется большее число молекул, чем на нижнем, и можно получить
индуцированное излучение с частотой, соответствующей разности энергий
между двумя более низкими уровнями.
Американский физик Чарлз Х. Таунс, работая независимо в том же
направлении в Колумбийском университете, создал работающий мазер (он с
коллегами и придумал этот термин) в 1953 г., как раз за десять месяцев до того,
как Басов и Прохоров опубликовали свою первую работу по молекулярным генераторам. Таунс использовал резонансную полость, заполненную возбужденными молекулами аммиака, и достиг невероятного усиления микроволн с частотой в 24 тыс. МГц. В 1960 г. американский физик Теодор Мейман, работая в
компании «Хьюз эйркрафт», построил прибор, основанный на трехуровневом
принципе, для усиления и генерирования красного света. Резонансная полость
Меймана представляла собой длинный кристалл синтетического рубина с зеркальными концами; возбуждающее излучение получалось при вспышках окружающей рубин спиральной трубки, заполненной ксеноном (аналогичной неоновой трубке). Прибор Меймана стал известен как лазер – название, образованное
от начальных букв английского выражения, означающего световое усиление с
помощью индуцированного излучения.
«За фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая
привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерномазерном принципе», Басов разделил в 1964 г. Нобелевскую премию по физике
с Прохоровым и Таунсом. Два советских физика уже получили к тому времени
за свою работу Ленинскую премию в 1959 г.
Басов написал один и в соавторстве несколько сотен статей по мазерам и
лазерам. Его работы по лазерам восходят к 1957 г., когда он с коллегами начал
их разработку и конструирование. Они последовательно разработали множество типов лазеров, основанных на кристаллах, полупроводниках, газах, различных комбинациях химических элементов, а также лазеров многоканальных и
мощных короткоимпульсных. Басов, кроме того, первым продемонстрировал
действие лазера в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. В
дополнение к своим фундаментальным исследованиям по инверсной заселенности в полупроводниках и по переходным процессам в различных молекулярных системах он уделял существенное внимание практическим приложениям
лазера, особенно возможности его использования в термоядерном синтезе.

231

С 1958 по 1972 г. Басов был заместителем директора в институте им.
П. Н. Лебедева, а с 1973 по 1989 г. – его директором. В этом же институте он
возглавлял лабораторию радиофизики с момента ее создания в 1963 г. С этого
года он также профессор Московского инженерно-физического института.
В 1950 г. Басов женился на Ксении Тихоновне Назаровой, физике из
МИФИ. У них два сына.
Кроме Нобелевской премии, Басов получил звание дважды Героя Социалистического Труда (1969, 1982), награжден золотой медалью Чехословацкой
академии наук (1975). Он был избран членом-корреспондентом АН СССР (1962),
действительным членом (1966) и членом Президиума АН (1967). Он состоял
членом многих других академий наук, включая академии Польши, Чехословакии,
Болгарии и Франции; а также Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина», Шведской королевской академии инженерных наук и Американского
оптического общества. Басов являлся вице-председателем исполнительного
совета Всемирной федерации научных работников и президентом Всесоюзного
общества «Знание», главным редактором научно-популярных журналов «Природа» и «Квант». Он был также членом Советского комитета защиты мира и
Всемирного совета мира. Избирался в Верховный Совет СССР в 1974 г., был
членом его Президиума в 1982 г.

***
Александр Михайлович Прохоров (11 июля
1916 – 8 января 2002), сын Михаила Ивановича Прохорова и Марии Ивановны (в девичестве Михайловой)
Прохоровой, родился в Атертоне (Австралия), куда его
семья перебралась в 1911 г. после побега родителей
Прохорова из сибирской ссылки. После Октябрьской
революции семья Прохоровых в 1923 г. возвратилась в
Советский Союз. Окончив с отличием физический факультет Ленинградского государственного университета
(1939), Прохоров поступает в аспирантуру в Лабораторию колебаний Физического института АН СССР имени
П. Н. Лебедева в Москве. Здесь он изучает распространение радиоволн над земной поверхностью и вместе с
одним из своих руководителей, физиком В. В. Мигулиным, разрабатывает новый
метод использования интерференции радиоволн для исследования ионосферы.
Призванный в Красную армию в июне 1941 г., Прохоров после двух ранений возвращается в 1944 г. в Институт имени П. Н. Лебедева, где занимается
исследованием частотной стабилизации в ламповых генераторах. Кандидатская
диссертация, которую Прохоров защищает в 1946 г., посвящена теории нелинейных колебаний. За эту работу ему и двум другим физикам присуждена премия имени академика Леонида Мандельштама, выдающегося советского радиофизика. В 1947 г. Прохоров приступает к исследованию излучения, испускаемого электронами в синхротроне (устройстве, в котором заряженные частицы,
например протоны или электроны, движутся по расширяющимся циклическим
орбитам, ускоряясь до высоких энергий), и показывает экспериментально, что
излучение электронов сосредоточено в микроволновой области, где длины волн
порядка сантиметров. Эта работа легла в основу диссертации на соискание
ученой степени доктора физико-математических наук, которую Прохоров защищает в 1951 г., и породила множество более поздних работ, выполненных другими исследователями.

232

После назначения заместителем директора лаборатории колебаний в
1950 г. научные интересы Прохорова перемещаются в область радиоспектроскопии. Он организует группу молодых исследователей, которые, используя радар и радиотехнику, разработанную главным образом в Соединенных
Штатах и Англии во время и после Второй мировой войны, исследуют вращательные и колебательные спектры молекул. Прохоров сосредоточивает свои
исследования на одном классе молекул, называемых асимметричными волчками, которые обладают тремя различными моментами инерции (анализировать структуру таких молекул по вращательным спектрам особенно трудно).
Помимо чисто спектроскопических исследований, Прохоров проводит теоретический анализ применения микроволновых спектров поглощения для усовершенствования эталонов частоты и времени. Полученные выводы привели
Прохорова к сотрудничеству с Николаем Басовым в разработке молекулярных генераторов, называемых ныне мазерами. За десять месяцев до того,
как Прохоров и Басов в 1954 г. опубликовали свою статью, Чарлз Х. Таунс,
американский физик из Колумбийского университета, который независимо
пришел к аналогичным выводам, построил действующий мазер, подтвердивший предсказания Прохорова и Басова.
Будучи директором лаборатории колебаний в институте имени
П. Н. Лебедева (с 1954 г.), Прохоров создает две новые лаборатории – радиоастрономии и квантовой радиофизики. Он консультирует многочисленные научно-исследовательские институты по проблемам квантовой электроники и организует лабораторию радиоспектроскопии в Научно-исследовательском институте ядерных исследований при Московском государственном университете, профессором которого становится в 1957 г.
С середины 50-х гг. Прохоров сосредоточивает усилия на разработке мазеров и лазеров и на поиске кристаллов с подходящими спектральными и релаксационными свойствами. Проведенные им подробные исследования рубина,
одного из лучших кристаллов для лазеров, привели к широкому распространению рубиновых резонаторов для микроволновых и оптических длин волн. Чтобы
преодолеть некоторые трудности, возникшие в связи с созданием молекулярных
генераторов, работающих в субмиллиметровом диапазоне, Прохоров предлагает новый открытый резонатор, состоящий из двух зеркал. Этот тип резонатора
оказался особенно эффективным при создании лазеров в 60-е гг.
Нобелевская премия по физике 1964 г. была разделена: одна половина ее
присуждена Прохорову и Басову, другая – Таунсу «за фундаментальные работы
в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера».
Находясь на посту заместителя директора Физического института АН
СССР имени П. Н. Лебедева с 1973 г., Прохоров продолжает расширять исследование по физике лазеров, в том числе по их применению для изучения многоквантовых процессов и термоядерного синтеза. В начале 80-х гг. Прохоров организует новый институт по данной тематике – Институт общей физики АН
СССР и становится его директором (с 1982 г.).
С 1941 г. Прохоров женат на Галине Алексеевне Шелепиной, географе по
специальности. У них один сын.
В 1960 г. Прохорова избирают членом-корреспондентом, в 1966 г. – действительным членом и в 1970 году – членом президиума АН СССР. Он почетный член Американской академии наук и искусств. В 1969 году он был назначен
главным редактором Большой Советской Энциклопедии. Прохоров почетный
профессор университетов Дели (1967) и Бухареста (1971). Советское правительство присвоило ему звание Героя Социалистического Труда (1969).

233

***
Американский физик Чарлз Хард Таунс родился 28 июля 1915 г. в Гринвилле (штат Южная Каролина); он был четвертым из шести детей Генри Кейта
Таунса, адвоката, и Эллен Самтер (в девичестве
Хард) Таунс. Выросший на ферме в двадцать акров в
окрестностях Гринвилля, мальчик стал рано проявлять интерес к природе. Обнаружив блестящие способности в школе и перескочив через седьмой класс,
он поступил в Фурманский университет в Гринвилле в
16-летнем возрасте. Окончив его в 1935 г. с двойным
отличием, он стал бакалавром наук в области физики
и бакалавром искусств в области современных языков. Хотя он выбрал физику своим основным занятием, привлеченный ее логикой и изяществом ее структуры, он в жизни прекрасно читал на французском, немецком, испанском, итальянском и русском языках. После годичной аспирантуры в Дьюкском университете Таунс получил степень магистра по физике в 1936 г., а затем и докторскую
степень в 1939 г. в Калифорнийском технологическом институте. Его докторская
диссертация называлась «Разделение изотопов и определение спина ядра углерода-13» (The Separation of Isotopes and the Determination of the Spin of the
Nucleus of Carbon 13).
Первая работа Таунса проходила в лабораториях компании «Белл», где
он оставался с 1939 по 1947 г., занимаясь главным образом и весьма успешно
задачами военно-прикладного характера, как, например, разработкой авиационного радара для прицельного бомбометания. Примечательно, что его успех
однажды состоял в предсказании неудачи. Во время войны в радарах использовалась длина волны в 3 см (соответствует частоте 10 ГГц). После войны руководство военно-воздушных сил попросило компанию «Белл» разработать радар, который работал бы на длине волны в 1,25 см (24 ГГц). Более высокочастотный радар должен был не только обеспечить более высокую точность, но и
должен был иметь меньший вес и занимать меньше места в самолете. Таунс
предсказал, что новая система окажется неэффективной, поскольку водяные
пары в атмосфере поглощают излучение именно этой частоты. Не убежденные
в этом, ВВС построили радар, и их постигла неудача. Однако этот случай пробудил у Таунса интерес к взаимодействию высокочастотных радиоволн (микроволн) с молекулами.
В 1948 г. Таунс был назначен адъюнкт-профессором физики в Колумбийском университете. Он стал исполнительным директором университетской радиационной лаборатории в 1950 г., возглавлял физический факультет с 1952 по
1955 г. и оставался в университете полным профессором до 1961 г. В течение
этого периода он также учился музыке и вокалу в вечерних классах музыкальной школы Жуйяра. Выполняя научные исследования в Колумбийском университете, Таунс понял, что поглощение микроволн может служить основой для
новой техники – микроволновой спектроскопии, позволяющей определять строение молекул.
Во время работы Таунса в компании «Белл» радарные волны генерировались электронами, осциллирующими внутри металлических резонаторов,
размеры которых определялись с высокой точностью. Эти размеры определяли
длину волны, и самая короткая достижимая длина волны была около 1 мм (300
ГГц). Таунс задумал в противоположность этому использовать естественные
свойства молекул, чтобы преодолеть эти ограничения.

234

Николай Басов и Александр Прохоров (СССР) пришли независимо к аналогичным выводам. Таунс вместе с аспирантами Колумбийского университета
построил работающий прибор в декабре 1953 г. и назвал его мазер. В первом
мазере молекулы аммиака проходили через электрические поля специальной
конфигурации, которые отталкивали молекулы, находящиеся в основном состоянии, и фокусировали возбужденные молекулы в резонансной полости. Когда в
полости накапливалась достаточная концентрация возбужденных молекул, становилась возможной осцилляция. Небольшая порция излучения нужной частоты
(с энергией фотона, равной разности между основным и возбужденным состояниями у молекулы аммиака) может вызвать лавинообразный рост индуцированного излучения, возбуждение еще большего числа молекул, находившихся в
основном состоянии, и еще большее возрастание этого излучения. В результате
получается мощный усилитель излучения. Разность энергий в основном и возбужденном состояниях у молекулы аммиака определяет энергию выделяющихся фотонов и, следовательно, частоту, которая в данном случае лежит в микроволновом диапазоне.
Вскоре выяснилось, что мазеры обладают столь стабильной частотой, что
могут служить высокоточными часами. С помощью двух мазеров Таунс и его
коллеги проверили и подтвердили специальную теорию относительности Эйнштейна, причем эту проверку позже назвали наиболее точным физическим экспериментом в истории.
Во время своего творческого отпуска в Париже в 1956 г. Таунс вместе с
коллегами показал в Парижском университете, что действие мазера можно осуществить с помощью трех уровней в некоторых твердых кристаллах, содержащих примеси. Излучение подходящей частоты может возбудить атомы примесей
до самого высокого из трех уровней. Затем эти атомы, потеряв часть своей
энергии, оказываются «пойманными» относительно стабильным промежуточным энергетическим состоянием. Затем к действию мазера и выделению излишней энергии в виде излучения добавляется скачок из промежуточного в основное состояние, сопровождающийся усилением входного излучения той же
частоты. В такой системе к физическому носителю мазера следует прикладывать энергию большей частоты (с более короткой длиной волны), чем усиливаемая, поскольку атомы нужно возбудить до более высокого, третьего, уровня.
Вскоре мазер стал выполнять роль высокочувствительного усилителя с низким
уровнем шума для приема микроволн во многих различных системах. Так,
например, в радиоастрономии он позволил распознавать радиоисточники на
огромных расстояниях от Земли.
В 1958 г. Таунс и его шурин Артур Л. Шавлов сформулировали требования, которые необходимо выполнить, чтобы построить мазер, действующий в
более высокочастотной области, соответствующей инфракрасному, видимому и
ультрафиолетовому свету. Два года спустя американский физик Теодор Мейман
построил такой прибор, излучавший красный свет, в котором в качестве резонансной полости использовался стержень из искусственного рубина с зеркальными концами, а возбуждаемыми атомами служили атомы хрома, вкрапленные
в рубин. Этот прибор назвали лазером от англ. выражения light amplification by
stimulated emission of radiation – световое усиление с помощью индуцированного
(стимулированного) излучения. Дальнейшее развитие лазеров носило лавинообразный характер, приведя к образованию новой области, получившей название квантовой электроники. Ныне лазеры используются в связи, машиностроении, медицине, инструментальных и измерительных приборах, в искусстве и в
военных областях.
Таунс разделил в 1964 г. Нобелевскую премию по физике с Николаем Басовым и Александром Прохоровым «за фундаментальную работу в области

235

квантовой электроники, которая привела к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе».
С 1959 по 1961 г. Таунс был вице-президентом и директором по науке Института оборонных исследований, занимающегося вопросами обороны, стратегии и системами вооружений. В 1961 г. он занял пост проректора и профессора
физики Массачусетского технологического института, а в 1966 г. был назначен университетским профессором физики в Калифорнийском университете в Беркли.
Во время службы в Институте оборонных исследований Таунс продолжал
активно участвовать в вопросах разработки научной политики, в работе многочисленных местных и правительственных комитетов. В Калифорнийском университете Таунс и его коллеги в области инфракрасной и микроволновой астрономии открыли первые многоатомные молекулы в межзвездном пространстве, а
именно молекулы аммиака и воды. Он также ввел новые современные методы
инфракрасного детектирования, использующие лазерные осцилляторы, в астрономическую спектроскопию и интерферометрию. Эта работа привела к созданию в 1987 г. системы передвижных инфракрасных телескопов, которая, по словам Таунса, позволит различить в 100 раз больше деталей, чем обычный радиотелескоп.
Таунс был членом правления Солковского института биологических исследований с 1963 по 1968 г. и компании «Рэнд корпорейшн» в 1965–1970 гг. Он
являлся членом научно-консультативной группы ВВС США с 1958 по 1961 г. и
возглавлял Научно-технологический консультативный комитет по полетам человека в космос при НАСА с 1964 по 1969 г. В 1969 году он член Президентской
группы по национальной научной политике, в 1971–1973 гг. – научный советник
компании «Дженерал моторс».
В 1941 г. Таунс женился на Фрэнсис Браун. У них четыре дочери. Натуралист-любитель, Таунс увлекается музыкой, языками, подводным плаванием и
путешествиями.
Кроме Нобелевской премии, Таунс получил премию Комстока Американской Национальной академии наук (1959); медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1959, 1962); премию по электронике Дэвида Сарноффа
Американского электротехнического института (1961); медаль Джона Карти
Американской Национальной академии наук (1962); почетную медаль за общественную деятельность, присуждаемую НАСА (1969); международную золотую
медаль Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и
механиков (1979) и Национальную медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1982). Он член американской Национальной академии наук, Института инженеров по электротехнике и электронике, Американской
академии наук и искусств, Американского философского общества и Американского астрономического общества. Является иностранным членом Лондонского
королевского общества. Он получил почетные ученые степени от более чем
двадцати колледжей и университетов и является членом редколлегий журналов
«Ревью оф сайентифик инструментс» (Review of Scientific Instruments), «Физикал
ревью» (Physical Review), «Джорнэл оф молекуляр спектроскопи» (Journal of
Molecular Spectroscopy).

236

***
Американский физик Артур Леонард Шавлов
родился 5 мая 1921 г. в г. Маунт-Верноне (штат НьюЙорк). За десять лет до этого события его отец, Артур Шавлов, иммигрировал в Соединенные Штаты из
Риги (Латвия). Поселившись в Нью-Йорке, он стал
работать агентом по страхованию и женился на канадской подданной Элен Мейсон. Когда Артуру исполнилось три года, семья (вместе с родившейся
дочерью) переселилась в Канаду.
Выросший в Торонто, Шавлов посещал Винчестерскую начальную школу. Нормальную образцовую
школу при учительском колледже и Воган-Роудколледж – среднее учебное заведение, которое
окончил в 1937 г. Он надеялся продолжить свое образование и в соответствии с
проявившимся еще в детские годы интересом к естественным наукам избрал
специальность радиоинженера в Университете Торонто, но из-за трудностей,
вызванных депрессией, родители не смогли оказать ему должной материальной
поддержки. Мечте о профессии радиоинженера не суждено было сбыться, но
Шавлов завоевал почетную стипендию по математике и физике. Физика казалась ему близкой к радиоделу, поэтому он и решил заняться изучением физики.
К тому времени, когда Шавлов получил степень бакалавра (1941), Канада
вступила в войну, и он преподавал на курсах для военного персонала при Университете Торонто до 1944 г., после чего принял участие в работе над проектом
создания микроволновой антенны на заводе, занимавшемся изготовлением радарного оборудования. В 1945 г. он возвращается в Университет Торонто, где выполняет диссертационную работу по оптической спектроскопии под руководством Малкольма Ф. Кроуфорда, о котором он отзывался впоследствии как о «необычайно
творческой личности». Степень доктора по физике Шавлов получает в 1949 г.
Стипендия для постдокторантов компании «Карбайд энд карбон кемиклс»
позволяет ему провести два года в Колумбийском университете, работая с
Чарлзом Х. Таунсом над проблемами микроволновой спектроскопии.
В 1951 г. Шавлов становится сотрудником лаборатории компании «Белл»
в Мюррей-Хилле (штат Нью-Джерси). Основной областью его исследований
становится сверхпроводимость – явление, открытое в 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом и состоящее в полном исчезновении электрического сопротивления в некоторых веществах при охлаждении их до температур, близких к абсолютному нулю. Шавлов не порывал связи с Таунсом. Они
встречались в конце недели и работали над завершением книги «Микроволновая спектроскопия» (Microwave Spectroscopy), начатой еще в бытность Шавлова
в Колумбийском университете. Книга была опубликована в 1955 г.
В 1957–1958 гг. Таунс и Шавлов занимались поисками способа получения мазерного эффекта на видимом свете и в декабре 1958 г. опубликовали в журнале
«Физикал ревью» (Physical Review) статью «Инфракрасные и оптические мазеры»
(Infrared and Optical Masers), в которой объяснили, как это можно сделать.
В 1960 г. Шавлов возвращается в Колумбийский университет, на этот раз
в качестве приглашенного профессора. На следующий год он становится профессором физики в Станфордском университете, где и остается, пробыв в течение
пяти лет деканом физического факультета. Он продолжает совершенствовать лазерную технологию, стремясь добиться выхода полностью монохроматического
(одночастотного) излучения с регулируемой частотой (лазеры с перестраиваемой частотой). Однако в большинстве своих работ Шавлов использует лазеры

237

для исследования атомов и молекул, с начала 60-х гг. он становится одной из
ведущих фигур в быстроразвивающейся области лазерной спектроскопии.
В основе лазерной спектроскопии лежит тот фундаментальный факт, что
атомы и молекулы поглощают и испускают электромагнитное излучение на характеристических частотах (энергиях фотонов), соответствующих разностям
энергий между их различными энергетическими уровнями. Спектр частот излучения, испускаемых после возбуждения и перехода в более высокие энергетические состояния или предпочтительно поглощаемых из падающего излучения,
помогает идентифицировать элементы, устанавливать структуру атомов и молекул и проверять выводы фундаментальной теории вещества и излучения.
Создание лазера с перестраиваемой частотой явилось важным достижением,
поскольку излучение такого лазера практически монохроматично (что позволяет
точно измерять частоту), обладает высокой интенсивностью (что позволяет
снимать спектры при относительно малом числе атомов или молекул) и облегчает настройку лазера на желательную частоту.
Работая вместе с Теодором В. Хеншем (ставшим Нобелевским лауреатом
в 2006 г.) в Станфорде, Шавлов разрабатывает несколько способов, позволяющих преодолеть трудности, связанные с доплеровским уширением, путем выделения спектров поглощения, испущенных атомами, скорость которых не содержит компоненты, параллельной лазерному пучку. Поскольку такие атомы не
приближаются к источнику излучения и не удаляются от него, эффект Доплера
полностью исключается. В 1972 г. Шавлов и его сотрудники получили первые
оптические спектры атомарного водорода, на которых не сказывался эффект
Доплера, что позволило измерить с недостижимой ранее точностью постоянную
Ридберга – одну из наиболее важных констант в физике.
Спектры молекул, вообще говоря, гораздо сложнее, чем спектры атомов, и
Шавлов воспользовался лазерами для упрощения молекулярных спектров с
помощью так называемых лазерных меток. Молекулы «накачиваются» в определенное энергетическое состояние с помощью лазерного излучения, настроенного на нужную частоту (энергию фотона), после чего экспериментатор наблюдает за возвращением их на более низкие энергетические уровни. Поскольку это
верхнее состояние выделено из всех возможных соседних состояний, оно называется меченым. Шавлов разработал также метод лазерной спектроскопии,
позволяющий определять следы элементов в окружающем материале.
В 1981 г. Шавлов вместе с Николасом Бломбергеном был удостоен половины Нобелевской премии «за вклад в развитие лазерной спектроскопии». Другая половина премии была присуждена Каю Сигбану за близкую по тематике
работу в области электронной спектроскопии. На церемонии презентации лауреатов представитель Шведской королевской академии наук было отмечено, что
эти методы позволили исследовать внутреннюю структуру атомов, молекул и
твердых тел гораздо подробнее, чем это было возможно прежде.
В 1951 г. Шавлов женился на младшей сестре Чарлза X. Таунса Аурелии.
У супругов один сын и две дочери. Кларнетист-любитель, Шавлов любил традиционный джаз и собрал большую коллекцию записей. Он пользовался известностью как лектор, участвовал в создании учебно-образовательных фильмов и
телевизионных научных программ.
Кроме Нобелевской премии, Шавлов удостоен медали и премии Стюарта
Баллантайна Франклиновского института (1952), медали Томаса Юнга Лондонского физического института (1963), медали Фредерика Айвса Американского
оптического общества (1976). Он был членом американской Национальной академии наук, Американской ассоциации фундаментальных наук, Американского
физического общества, Американского оптического общества и Института инженеров по электротехнике и электронике. Среди почетных ученых званий Шавлова – степень почетного доктора Государственного университета в Генте, Брэдфордского университета и Университета Торонто.

238

5.1. Наиболее распространенные типы лазеров
По типу рабочего вещества лазеры подразделяются на твердотельные (в том числе, лазеры на ионных кристаллах, лазеры на стеклах, полупроводниковые лазеры и т. д.), газовые, химические и др.
Из твердотельных лазеров на ионных кристаллах наиболее распространены лазеры на рубине, изобретенные Т. Мейманом в 1960 г.
Активным элементом рубинового лазера является цилиндрический кристалл рубина – окиси алюминия AL2O3 , в котором некоторое
число атомов алюминия заменено трехвалентными ионами хрома
Cr 3  . Ионы хрома не только определяют красный цвет рубина, но и
являются генерирующими центрами (активными частицами).
Примесь ионов хрома мала и составляет доли процента от полного числа атомов среды. Так что активные частицы (ионы хрома) в рубине практически не взаимодействуют друг с другом и их энергетический спектр сохраняет некоторые черты спектра свободного изолированного иона. Однако ионы хрома находятся в кристаллической решетке,
взаимодействие с которой вносит в их энергетический спектр существенные особенности, отличные от спектров изолированных ионов.
Взаимодействие с полем кристаллической решетки приводит к
расщеплению и уширению энергетических уровней, превращая их в
энергетические полосы (зоны). Причем наибольшее уширение будут
испытывать уровни, соответствующие внешним электронам атома.
Электроны внутренних оболочек экранируются внешними электронами и слабо взаимодействуют с кристаллическим полем; связанные с
ними энергетические уровни расширяются незначительно. Таким образом, спектр поглощения (излучения) кристалла, в решетку которого
внедрены атомы элементов с незаполненными внутренними оболочками, состоит из широких полос и отдельных резких линий поглощения (излучения), ширина которых зависит от ширины соответствующих энергетических уровней.
Спектр поглощения рубина содержит две такие полосы, центральные части которых соответствуют длинам волн 1  4100 А и
2  5600 А , а ширина каждой из них около ~ 1000 A . При облучении
кристалла рубина, что осуществляется мощной лампой оптической
накачки, ионы хрома переходят в возбужденные состояния, из которых часть ионов в течение малого времени переходит в основное состояние и часть в дублетное состояние, расположенное между нижним
краем полосы поглощения и основным состоянием.
Переходы между полосой поглощения и основным состоянием –
радиационные, связанные с излучением фотонов, а переходы на дуб239

летный уровень из возбужденного состояния безызлучательные. Энергия при таком переходе передается кристаллической решетке. Вероятность безызлучательного перехода ( 2 107 с 1 ) больше вероятности
радиационного перехода ( 3 105 с 1 ) , поэтому ионы хрома будут в основном переходить на дублетный уровень. Данное состояние является
метастабильным, и ионы хрома могут находиться в нем сравнительно
долго ( ~ 10 3 с ). Переходам из метастабильного состояния в основное
соответствуют линии излучения с длинами волн 1  6943 А и

2  6929 А . Каждая из этих линий, в свою очередь, является дублетом
(состоит из двух близкорасположенных уровней, расстояние между которыми 0,38 см 1 ). Однако при комнатной температуре тонкую структуру
этих линий наблюдать нельзя из-за их большой ширины (~ 11 см 1 ) .
Лазерное излучение в рубиновом кристалле, в принципе, может
быть получено на обеих 1 и  2 -линиях. Однако практически все

ОКГ работают на линии 1 , так как на ней проще осуществить состояние с инверсной населенностью. Это обусловлено тем, что вероятность перехода из полосы поглощения на нижний уровень дублета
больше, чем на верхний. Кроме того, время релаксации частиц между

уровнями дублета довольно мало (меньше 10 7 с ), поэтому между
ними очень быстро устанавливается термодинамическое равновесие,
так что верхний метастабильный уровень оказывается практически
опустошенным, а на нижнем создается инверсная заселенность и, после достижения порога, лазер генерирует мощное излучение с длиной
волны 1  6943 А . Генерацию на длине волны  2 можно осуществить, если в качестве зеркал использовать узкополосные интерференционные фильтры с максимумом пропускания на длине волны  2 ,
тем самым резко повышая добротность оптического резонатора на
данной длине волны.
В твердотельных лазерах в качестве рабочего тела, кроме ионных
кристаллов, используют стекла (неупорядоченные структуры), активированные редкоземельными элементами (Nd, Er и др.), а также полупроводники ZnO, CdS, GaAs. В полупроводниковых лазерах, в отличие от лазеров других типов, используются квантовые переходы
между разрешенными энергетическими зонами, а не дискретными
уровнями энергии. В полупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптического усиления (до 104 см-1), благодаря чему размеры активного элемента полупроводникового лазера
240

исключительно малы (длина резонатора 50 мкм – 1 мм). Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров является малая инерционность (10–9 с), высокий КПД (до 50 %), возможность
спектральной перестройки и большой выбор веществ для генерации в
широком спектральном диапазоне от λ = 0,3 мкм до 30 мкм. Активными частицами в полупроводниковых лазерах служат избыточные
(неравновесные) электроны проводимости и дырки, т. е. свободные
носители заряда, которые могут инжектироваться, диффундировать и
дрейфовать в активной среде. Важнейшим способом накачки в полупроводниковых лазерах является инжекция через p-n-переход или гетеропереход, позволяющая осуществить непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение – инжекционный лазер. Другими способами накачки служит электрический пробой – стримерный лазер, бомбардировка электронами – полупроводниковый лазер с электронной накачкой и освещение – полупроводниковый лазер с оптической накачкой. Впервые полупроводниковый
лазер был построен в 1962 г. в Лаборатории Линкольна (США)
Б. Лэксом. Первоначально полупроводниковые лазеры создавались на
основе ZnO и CdS и требовали для своей работы глубокого охлаждения, что затрудняло их использование. Полупроводниковые лазеры на
арсениде галлия, работающие при комнатных температурах, осуществлены Р. Холлом и М. И. Нейтеном. Полупроводниковые лазеры
с электронной накачкой разработаны Н. Г. Басовым с сотрудниками.
Оптическое усиление в полупроводниках возникает под действием интенсивной накачки при выполнении условий инверсии населенности уровней вблизи дна в зоне проводимости и потолка в валентной
зоне. При этом вероятность заполнения электронами верхних рабочих
уровней в разрешенной зоне (зоне проводимости) больше, чем нижних
уровней (валентной зоны). В этом случае вынужденные излучательные переходы преобладают над поглощательными переходами. Величина оптического усиления зависит не только от интенсивности
накачки, но и от других факторов: вероятности излучательной рекомбинации, внутреннего квантового выхода излучения, температуры. В
качестве лазерных материалов используются прямозонные полупроводники (например, ZnO, CdS, PbS), в которых квантовый выход излучения
может достигать 100 %. Разнообразие полупроводниковых лазерных
материалов позволяет перекрыть широкий спектральный диапазон.
Инжекционный полупроводниковый лазер представляет собой
полупроводниковый диод, две плоскопараллельные грани которого,
перпендикулярные плоскости p-n-перехода или гетероперехода, служат зеркалами оптического резонатора, коэффициент отражения достигает при этом 30 %. Иногда применяются внешние резонаторы.
241

Инверсия заполнения достигается при большом прямом токе через
диод за счет инжекции дополнительных носителей в слой, прилегающий к переходу. Генерация когерентного излучения возникает в полосе краевой люминесценции, если оптическое усиление способно превзойти потери энергии, связанные с выходом излучения наружу, поглощением и рассеянием внутри резонатора. Ток, соответствующий началу
генерации, называется пороговым. Плотность порогового тока в инжекционных полупроводниковых лазерах обычно порядка 1 кА/см2.
Наибольшее распространение получили полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур – гетеролазеры, имеющие наиболее
низкие пороговые плотности тока при температурах 300 К. Основой
для их создания послужили фундаментальные исследования, проведенные в 60-х гг. Жоресом Ивановичем Алферовым в Физикотехническом институте АН СССР. Им было открыто явление сверхинжекции в гетероструктурах, что позволило принципиально поновому управлять электронными и световыми потоками в полупроводниковых гетероструктурах. За эти исследования Ж. И. Алферову в
1972 г. была присуждена Ленинская премия, а в 2001 г. Нобелевская
премия по физике (совместно с Г. Кремером).
Гетеролазер содержит два гетероперехода, один типа p-n, инжектирующий электроны (эмиттер), и другой, типа p-p, ограничивающий
диффузионное растекание носителей заряда из активного слоя; активная область заключена между ними. В так называемых полосковых
лазерах активная область в форме узкой полоски шириной 1–20 мкм
протягивается от одного зеркала к другому. Благодаря малым размерам активной области пороговый ток полосковых лазеров достаточно
мал (5–150 мА) для получения непрерывной генерации при Т = 300 К.
Мощность излучения таких полупроводниковых лазеров (около 100 мВт)
ограничена перегревом активной области. В коротких импульсах полупроводниковые лазеры испускают большую мощность (до 100 кВт), которая ограничена оптическим разрушением торцевых граней. Многоэлементные инжекционные лазеры создают в импульсе мощность до 10 кВт.
Полупроводники, из которых могут быть изготовлены гетеролазеры, при различном химическом составе должны обладать одинаковым периодом кристаллической решетки. Используются многокомпонентные твердые растворы, среди которых можно найти непрерывные
ряды веществ с постоянным периодом решетки (изопериодические
системы). Например, в гетеролазере на основе твердых растворов
AlxGa1-xAs гетероструктуру составляют слои: p(AlxGa1-xAs); p(GaAs);
n( AlxGa1-xAs).
Основные типы полупроводников, используемых в гетеролазерах, приведены в табл. 5.1.
242

Таблица 5.1
Активный
слой

Широкозонные
эмиттеры

GaInPAs
GaInPAs
GaPAs
AlGaAs
GaAs
GaAsSb
GaInAs
GaInAsP
GaSb
AlGaAsSb
GaInAsSb
PbSSe
PbSnTe

GaInP; GaInPAs
GaInP; GaInPAs
AlGaAsP
AlGaAs; AlGaAsP
AlGaA; AlGaAsP;
GaInP
AlGaAsSb
GaInP
InP; GaInAsP
AlGaAsSb
AlGaAsSb
GaSb
PbS
PbTe

Подложка

Диапазон длин
волн, мкм

GaAs
GaAs
GaAs
GaAs
GaAs
GaAs
GaAs
InP
GaSb
GaSb
GaSb
PbS
PbTe

0,575–0,600
0,637–0,660
0,74–0,80
0,69–0,90
0,88–0,90
0,945–1,00
0,90–1,15
1,0–1,67
1,6–1,8
1,3–1,6
1,8–2,0
4,1–6,4
10–16

Рабочая
температура,
К
77
300
300
300
300
300
300
300
300
300
77
20–180
4–110

В полупроводниковых лазерах с электронной накачкой используются пучки быстрых электронов с энергией 104–105 эВ (как правило,
меньшей порога образования радиационных дефектов в кристалле).
Избыточные носители заряда образуются в результате замедления
быстрых электронов. Глубина проникновения электронов зависит от
энергии и может достигать 10-2 см. Полупроводниковые лазеры этого
типа, помимо активного элемента, содержат источник высокого
напряжения, электронную пушку и систему фокусировки и управления пучком. Достоинство полупроводниковых лазеров с электронной
накачкой – возможность сканирования излучающего пятна по активному элементу, что позволяет осуществить воспроизведение и проектирование на большой экран телевизионного изображения (разновидность лазерного телевидения). Мощность излучения в импульсе в полупроводниковых лазерах этого типа может достигать 1 МВт (при
накачке большого объема кристалла или многоэлементной мишени).
Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой изготавливаются
в виде отпаянной вакуумной трубки с оптическим окном для вывода
лазерного излучения.
Из газовых лазеров наибольшее распространение получили гелий-неоновые. Первый лазер этого типа был построен в 1961 г. американским физиком Али Джаваном в лаборатории «Белл Телефон».
Главная особенность газовых лазеров, отличающая их от лазеров на
твердых телах, состоит в различии методов возбуждения и подвода
энергии накачки. Полосы поглощения в газах отсутствуют, и при оптической накачке необходимо, чтобы линии лампы накачки точно соответствовали линиям поглощения газа в лазере. Поэтому обычные
243

лампы использовать нельзя и используются только аргоновые, криптоновые и ртутные лампы. Кроме оптической накачки используют
также возбуждение атомов электронным ударом, которое проще всего
осуществить в газовом разряде, когда в газе при столкновениях возникают электроны и ионы. Обмен энергиями между ионами и атомами
протекает достаточно интенсивно, и, поскольку их массы практически
равны, средняя кинетическая энергия ионов равна средней кинетической энергии атомов. В газовом разряде низкого давления (несколько
миллиметров ртутного столба) столкновения электронов с атомами и
ионами являются упругими, обмена энергии между ними в столкновениях практически не происходит и средняя кинетическая энергия электронов существенно превышает среднюю энергию атомов (kTe  kT ) .
Высокие значения электронной температуры Te являются предпосылкой того, что значительное количество электронов сможет приобретать в газовом разряде энергию, необходимую для возбуждения
атомов. Если в разряде присутствует смесь двух газов, то при соударении двух различных атомов будет происходить обмен энергией возбуждения, если атомы обладают достаточно близкорасположенными
энергетическими уровнями. В этом случае практически вся энергия
возбуждения первого атома переходит в энергию возбуждения второго
атома, и лишь малая часть ее переходит в кинетическую энергию
сталкивающихся атомов. При этом ранее возбужденный атом безызлучательно переходит в основное состояние.
Особый интерес представляет случай, когда обмен энергий происходит между атомом, находящимся в метастабильном состоянии, и
невозбужденным атомом. В этом случае существует возможность передачи энергии возбуждения с сильно населенного метастабильного
уровня атомов одного газа атомам другого газа, что может привести к
созданию инверсной населенности. Именно такая ситуация имеет место в гелий-неоновом лазере.
В этом лазере активными частицами являются атомы неона,
между уровнями которого осуществляется инверсия, а атомы гелия
служат для создания эффективной накачки верхнего лазерного уровня
атомов неона. Возбужденные состояния гелия 23S1 и 21S0 метастабильны, прямой радиационный переход из них в основное состояние
1
S 0 запрещен. Энергия данных состояний близка к состояниям неона с
электронными конфигурациями 2 р 5 4 s и 2 р 5 5s , поэтому при столкновениях атомов неона с возбужденными атомами гелия будет происходить резонансная передача энергии между атомами и возбужденные
состояния неона будут заселяться.
244

Некоторый вклад в заселенность лазерных уровней неона дает
также прямой электронный удар. Из возбужденных состояний неона

2 р 5 4s и 2 р 5 5s разрешен радиационный переход в состояние
2 р 5 3 р , дающий излучение с длинами волн 1  6328 А и
 2  11523 А соответственно. Генерация лазерного излучения возможна и на той и на другой длине волны. Поскольку возбужденные состояния неона 3s,2 s,2 p являются сложными мультиплетами, то между
компонентами многих из них возможны переходы. Следовательно, возможна генерация с большим числом линий (общее число линий генерации неона достигает 27 в диапазоне 0,6328  5,4087 мкм ).
Гелий-неоновый лазер работает по четырехуровневой схеме, что
дает возможность осуществления стационарной генерации излучения.
При этом необходимым является определенное значение добротности
резонатора. Используя зеркала с различными диэлектрическими покрытиями, можно на одной и той же трубке наблюдать генерацию на
различных длинах волн. Зеркала резонатора могут быть либо плоскими (как в интерферометре Фабри – Перо), либо сферическими, с радиусом кривизны, значительно превышающим длину резонатора, либо
комбинацией того и другого типа. Сферические зеркала имеют ряд
преимуществ, связанных с более простой их юстировкой по сравнению с плоскими, где необходимо выдерживать параллельность с точностью до нескольких секунд. При юстировке зеркала выставляют, что увеличивает их коэффициент отражения и уменьшает порог генерации.
Со времени появления гелий-неонового лазера генерация получена более чем на 450 различных переходах между уровнями
нейтральных атомов 34 химических элементов. Возбуждение непрерывной генерации происходит в положительном столбе тлеющего
разряда при плотности тока 100–200 А/см2. Для импульсной генерации
используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в
импульсном разряде может достигать 300 А/см2, а в случае импульса с
крутым фронтом – сотен и тысяч А/см2, что создает высокую пиковую
мощность генерации.
По сравнению с газовыми лазерами на нейтральных атомах ионные лазеры обладают большей выходной мощностью. Генерация на
ионизированных газах впервые была получена американским физиком
У. Бриджесом в 1964 г. Инверсия населенностей создается между
уровнями энергии атомарных ионов в электрическом разряде. Относительно большая концентрация ионов обеспечивается высокой плотностью тока, который в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см2.
Поэтому электрический разряд осуществляется в тонких капиллярах
245

(диаметром до 5 мм), обладающих высокой теплопроводностью
(например, из бериллиевой керамики). КПД ионных лазеров невысок,
менее 0,1 %.
Генерация наблюдается на 440 переходах ионов 29 элементов.
Наиболее мощная генерация (несколько сотен Вт) получена в синезеленой области спектра (λ = 0,4880 мкм, λ = 0,5145 мкм) на ионах
Ar2+ , в желто-красной (0,5682 мкм, 0,6471 мкм) на ионах Kr2+, на УФ
линиях Ne2+, Ar3+ и Kr3+. Выходная мощность ионных лазеров резко
зависит от тока разряда.
В особую обширную группу выделяются газовые лазеры на парах металлов (атомы и ионы), перспективные для получения высоких
КПД. Для этого необходимо, чтобы опустошение нижнего лазерного
уровня происходило не за счет спонтанных переходов, а в результате
столкновений с атомами и молекулами (столкновительные газовые
лазеры). Атомы некоторых металлов обладают благоприятной для
этого структурой уровней. Для них квантовый выход может достигать
0,7. Генерация осуществлена для 27 металлов; наилучшие результаты
получены на парах меди Cu+ : λ = 510,5 нм, λ = 578,2 нм, средняя
мощность 43,5 Вт, пиковая мощность 200 Вт, КПД 2–3 %. Чрезвычайно высокий коэффициент усиления позволяет использовать лазеры на
парах металлов в качестве квантовых усилителей света (без резонатора) и в лазерном проекционном микроскопе. Распространены также
газовые лазеры на парах кадмия Cd2+ , инверсия населенностей в которых образуется в результате передачи энергии от возбужденных атомов He. Гелий-кадмиевый лазер позволяет получить в непрерывном
режиме мощность генерации 10–50 мВт на линии λ = 441,6 нм (синяя
область) и несколько мВт в УФ-области при КПД около 0,1 %.
Лазеры на атомарных газах сравнительно маломощны. Высокая
мощность излучения достигается в молекулярных лазерах, в частности
в лазерах на двуокиси углерода, изобретенных К. Пателом в 1964 г.
При этом инверсная заселенность создается в основном на колебательных и вращательных уровнях молекул, что приводит к увеличению длины волны излучения (8–12 мкм), так что генерация осуществляется в ИК-диапазоне.
Выбор двуокиси углерода в качестве рабочего тела обусловлен
следующими причинами: молекула СО2 является одной из простейших
трехатомных молекул и ее колебательно-вращательные состояния хорошо изучены. Молекула СО2 имеет симметричную линейную конфигурацию и характеризуется тремя степенями свободы. Одна степень
свободы связана с симметричными колебаниями атомов вдоль оси
молекулы. Такой тип колебаний называется симметричным растяжением и обозначается v1. Другой симметричный тип представляют ко246

лебания атомов перпендикулярно оси. Его называют деформационным
типом колебаний и обозначают v2. Наконец, существует асимметричный тип колебаний вдоль оси, обозначаемый v3. Согласно правилам
квантовой механики колебания независимы, их энергии квантуются и
различны. Таким образом, молекула двуокиси углерода может быть
возбуждена в состояние, являющееся некоторой комбинацией трех
отдельных типов колебаний (v1 v2 v3). По ряду причин, таких как время
жизни молекулы и вероятность возбуждения, в качестве верхнего лазерного уровня выбирают (001), а уровни (100) и (020) образуют нижние лазерные уровни. Молекулы, достигающие нижних лазерных
уровней, переходят в основное состояние, излучая, или в результате
столкновений, через уровень (010). Колебательно-вращательный переход (001)→(020) дает инфракрасное излучение с длиной волны
10,6 мкм, а переход (001)→(020) – излучение с λ = 9,6 мкм. Квантовый
КПД на этих переходах весьма высок – 40–45 %. В чистой двуокиси
углерода накачка с помощью газового разряда неэффективна, поскольку электронные столкновения с молекулами СО2 приводят к возбуждению не только верхнего лазерного уровня (00v3), но и других,
понижая при этом как КПД, так и выходную мощность. Селективное
возбуждение верхнего лазерного уровня осуществляется, если к двуокиси углерода добавить азот. Азот – двухатомная молекула и имеет
только одну колебательную степень свободы, причем колебательные
уровни основного электронного состояния не могут отдавать энергию
излучательно и являются крайне долгоживущими. В разряде в парах
азота при низком давлении на уровень v = 1 может возбудиться около
30 % молекул. Энергия этого уровня молекулы азота почти совпадает
с энергией уровня (001) молекулы СО2, так что можно ожидать эффективного переноса колебательной энергии от азота к двуокиси углерода
в результате столкновений. Кроме азота к двуокиси углерода с целью
повышения выходной мощности и КПД необходимо добавить еще и
гелий, что увеличивает скорость расселения нижнего колебательного
уровня молекулы СО2 и увеличивает скорость возбуждения уровня
(001) либо прямо в результате электронного удара, либо косвенно за
счет роста скорости возбуждения молекул азота. При давлении двуокиси углерода 3 мм рт. ст., азота 3 мм рт. ст. и гелия 20 мм рт. ст.
удается получить непрерывную мощность 80 Вт на 1 м длины разряда
на длине волны 10,6 мкм. Рабочий КПД в этом случае составляет
20 %. Типичный лазер на СО2 имеет длину около 2 м и может давать в
непрерывном режиме мощность около 150 Вт. Ничто не мешает изготовлению длинных лазеров для получения много более высокой выходной мощности, которая растет линейно с длиной трубки. Кумар
Пател так описывает свои впечатления от изогнутого лазера Raytheon
247

Company длиной 600 футов и мощностью 8,8 кВт: «выходная мощность такого лазера догоняет мечты научной фантастики, а тепловой
эффект при этом определенно внушает некоторый ужас» [35].
Генерация в УФ-части спектра достигается в эксимерных лазерах, работающих на электронных переходах молекул, существующих
только в возбужденном состоянии. Эксимерные молекулы представляют собой короткоживущие соединения возбужденных атомов
инертных газов (Ar, Kr, Xe) друг с другом, галогенами F, Br, Cl или
кислородом. В основном состоянии атомы отталкиваются, разваливая
молекулу, и инверсия населенностей создается благодаря эффекту
опустошения нижнего уровня. Эксимерные лазеры используют импульсные источники возбуждения – мощные электронные пучки или
импульсный поперечный разряд. Наиболее эффективны и хорошо
изучены эксимерные лазеры, на ArF (λ = 1933 A), KrF (λ = 2484 A),
XeF (λ = 3511 A), выходная энергия которых достигает 1 кДж при
КПД 10 % и длительности импульса –10–8 с. Лазеры этого типа ерспективны для селективной лазерной фотохимии, лазерного разделения изотопов и лазерного термоядерного синтеза.
В газодинамических лазерах, построенных в 1966 г. в ФИАН
А. М. Прохоровым, инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней молекул газа путем адиабатического охлаждения
газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Лазеры данного типа состоят из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора
сопел, образующих сопловую решетку), оптического резонатора и
диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или
подогрева с помощью электрических разрядов и ударных волн). При
течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается; при
этом нижние уровни энергии опустошаются быстрее, чем верхние, и,
как следствие, образуется инверсия населенностей и генерация когерентного излучения. Диффузор предназначен для торможения потока
газа и повышения его давления. Самые мощные газодинамические
лазеры работают в ИК-области спектра λ = 10,6 мкм на переходах
между колебательными уровнями молекулы СО2 (в смеси с азотом и
парами воды или гелием). В этих газодинамических лазерах наиболее
просто получить генерацию в продуктах сгорания углеводородных
топлив. Получена также генерация в ИК-области на молекулах СО,
N2О и СS2. Хотя КПД газодинамических лазеров невелик – около 1 %
(что связано с низкой эффективностью теплового возбуждения и переходом основной доли энергии в кинетическую энергию молекул),
они дают возможность непрерывной генерации значительной мощности в сотни киловатт. Перспективно создание газодинамических лазе248

ров на переходах между электронными уровнями атомов и молекул,
излучающих в видимой области спектра (фоторекомбинационные и
плазмодинамические лазеры).
В химических лазерах инверсия населенностей образуется в результате химических реакций. Помимо высокой мощности генерации
и КПД к достоинствам химических лазеров относится также возможность получения генерации на большом числе переходов в широкой
области ИК-спектра. Возможность создания лазеров данного типа основана на том, что продукты многих экзотермических химических
реакций образуются преимущественно в возбужденном состоянии.
Большинство химических лазеров работает на колебательных спектрах двухатомных молекул. Возбуждение осуществляется в результате
экзотермической реакции замещения:

A  BC  AB  C   .

(5.1)

Чаще всего это реакции фтора с водородом, дейтерием, углеводородами и т. п. Причем значительная часть δ выделяющейся энергии
Δε идет на возбуждение колебательных уровней молекулы АВ. В результате образуется неравновесный газ двухатомных молекул АВ, в
котором средняя величина колебательной энергии значительно превышает величину энергии, приходящейся на поступательные и вращательные степени свободы молекул. Такой неравновесный газ является
активной средой с инверсной населенностью для большого числа колебательных переходов. Типичные значения выделяющейся энергии
Δε составляют 31–46 ккал/моль, доля энергии δ – 0,59–0,71, примерный диапазон длин волн λ 2,8–5,8 мкм. Например, для цепной реакции
фтора с водородом
H + F2 → HF + F

(5.2)

Δε = 33,7 ккал/моль, δ = 0,68, λ = 4,3 – 5,4 мкм. Для работы химического лазера требуется создать некоторое количество химически активных свободных радикалов (атомов А). Для этого используется прямой
нагрев, приводящий к термической диссоциации вещества; облучение
УФ- или видимым светом, приводящее к частичной фотодиссоциации
исходных продуктов; химические реакции, сопровождающиеся появлением свободных радикалов; газовый разряд, в котором частичная
диссоциация компонент происходит в результате столкновений молекул с электронами; электронная бомбардировка и др. Так как в результате реакций, приводящих к возбуждению химического лазера, происходят необратимые изменения химического состава исходных ве249

ществ, необходимым условием длительной работы химического лазера является непрерывное возобновление рабочего вещества.
Основные параметры, характеризующие эффективность химического лазера – его химический КПД ηх – отношение энергии лазерного
излучения к величине энергии, выделяющейся в результате химической реакции, и электрический КПД ηэ – отношение энергии лазерного
излучения к энергии, затрачиваемой на инициирование химической
реакции. Так как энергия, требующаяся для инициирования многих
экзотермических реакций, меньше энергии, которая выделяется в результате протекания таких реакций, то величина ηэ не имеет ограничений сверху и может превышать 100 % (например, для HF-лазера
ηэ = 95 %). Однако для химических лазеров на основе цепных реакций
ηх относительно невелико – 1–3 %, поскольку время протекания цепной реакции оказывается много больше времени разрушения инверсной населенности в результате межмолекулярных соударений. В связи
с этим наиболее мощные химические лазеры на HF(DF), обладающие
высоким ηх до 10 % , работают на основе простых реакций замещения.
Максимальная энергия излучения HF-лазеров в импульсном режиме
превышает 5 кДж при длительности импульса 30 нс. Наиболее мощные химические НF-лазеры непрерывного действия работают при
прокачивании активного вещества через резонатор со сверхзвуковой
скоростью и обладают выходной мощностью в несколько киловатт
при ηэ около 4 %.
Действие лазеров на свободных электронах основано на излучении электронов, колеблющихся под действием внешних электрического и (или) магнитного поля и перемещающихся с релятивистской поступательной скоростью в направлении распространения излучаемой
волны. Благодаря эффекту Доплера частота излучения во много раз
превышает частоту колебаний электронов и может попадать в диапазон от СВЧ до УФ. Электрон в лазере на свободных электронах излучает в элементарном акте квант, энергия которого во много раз меньше исходной энергии частицы. Это позволяет каждому электрону в
процессе взаимодействия с волной излучить много квантов (103–108).
Поэтому движение и излучение частиц может быть описано уравнениями классической электродинамики, а сами лазеры на свободных
электронах являются по существу классическими приборами, родственными лампе бегущей волны, клистрону и другим электрическим
генераторам СВЧ. Вынужденному излучению в лазерах на свободных
электронах (как и в других электронных приборах) при классическом
описании отвечает самосогласованный процесс, включающий в себя
группирование электронов в сгустки под действием резонансной «затравочной» волны, и последующее усиление этой волны в результате
250

когерентного излучения образовавшихся электронных сгустков. При
квантовом описании возможность преобладания вынужденного излучения над поглощением объясняется небольшим различием частот
волн, которые электрон способен излучить ωe и поглотить ωa. Это различие обусловлено отдачей, испытываемой электроном при излучении
и поглощении кванта, а также в ряде случаев отклонением от эквидистантности спектра колебательных уровней электронов (например,
уровней электрона в однородном магнитном поле). Так как в реальных
условиях уширение спектральной линии, обусловленное конечным
временем нахождения электрона в пространстве взаимодействия с
волной (естественная ширина), существенно больше ωe – ωa, то вынужденное излучение и поглощение раздельно не наблюдаются, а
преобладание излучения над поглощением имеет место для волны,
частота которой смещена в сторону ωa. Наиболее коротковолновыми
являются разновидности лазера на свободных электронах, в которых
колебательное движение электронам сообщается пространственнопериодическим статическим полем ондулятора (так называемый
убитрон) либо полем мощной НЧ-волны накачки (комптоновский лазер, или скаттрон). Эти способы накачки близки по характеру воздействия на электроны, поскольку периодическое статическое поле воспринимается движущейся частицей как волна. При иных способах
накачки осцилляторной энергии в электронный поток возможны и
другие виды вынужденного тормозного излучения электронов:
а) вращающихся в однородном магнитном поле (мазер на циклотронном резонансе); б) колеблющихся в поперечно-неоднородном электростатическом поле (строфотрон) и другие. Кроме того, лазеры на
свободных электронах могут быть основаны на различных вариантах
черенковского излучения и переходного излучения частиц, движущихся равномерно и прямолинейно в пространственных периодических структурах; при этом колеблются не электроны исходного пучка,
а их зеркальные изображения в структурах. Достоинством лазеров на
свободных электронах является возможность плавной перестройки
частоты генерации в широких пределах изменением поступательной
скорости движения электронов или угла между излучаемой волной и
направлением движения частиц. Эффективность преобразования энергии пучка в излучение (электронный КПД) ограничивается выходом
теряющих энергию частиц из резонанса с волной. На возможность
излучения коротких волн путем доплеровского преобразования частоты излучения предварительно сформированных электронных сгустков
колеблющихся частиц впервые указали В. Л. Гинзбург и американский физик Г. Моц в конце 40-х гг. Однако предложение о получении
таким способом вынужденного излучения было сформулировано
251

позднее, уже после развития теории вынужденного излучения в системах классических электронных осцилляторов и экспериментальной
реализации основанных на этом принципе слаборелятивистских электронных мазеров. Впервые лазер на свободных электронах в ИКдиапазоне был реализован в США Дж. Мейди с сотрудниками на базе
Станфордского линейного ускорителя электронов в 1976 г.
Активно ведутся исследования возможностей создания рентгеновского лазера, который позволил бы получать трехмерные голографические изображения микрообъектов, размерами порядка атомных, а
также, вследствие возможности фокусировать когерентное излучение
на площадках с атомными размерами, манипулировать отдельными
атомами, удалять или перемещать, создавая структуры на атомном
уровне. Тем самым рентгеновский лазер, в случае его создания, заменил бы неосуществимый рентгеновский микроскоп (в силу отсутствия
зеркал рентгеновского излучения), но и в некоторых аспектах превосходил бы существующие туннельные и электронные микроскопы.
Не обсуждая использование в качестве активных частиц метастабильных состояний атомных ядер, пригодное практически только для
военных целей, можно указать еще две возможности реализации рентгеновского лазера. Первая из них возникает в условиях ядерного взрыва, когда некоторая часть вещества полностью ионизируется и превращается в плазму из голых ядер и электронов. Охлаждаясь, такая
плазма теряет энергию за счет тормозного некогерентного излучения
электронов, которые начинают захватываться ионами. При этом вероятность захвата на высоко лежащие уровни существенно больше, чем
на низкие, что автоматически приводит к инверсной заселенности.
Отсутствие резонатора требует больших значений коэффициента усиления (так называемый режим сверхсветимости). Данный тип накачки
рентгеновского лазера был испытан во время подземного взрыва ядерного устройства в ноябре 1981 г. в Неваде (США). Измеренные параметры рентгеновского излучения в том эксперименте составили: длина волны λ = 1,4 нм, длительность импульса линии 10–5с, энергия импульса порядка 100 кДж.
Другой способ создания рентгеновского лазера дают методы нелинейной оптики. Использование мощных импульсных лазеров, излучение которых фокусируется на нелинейную газовую среду, в результате многофотонного поглощения позволяет получить излучение на n-й
гармонике, т. е. с частотой в n раз превосходящей частоту исходного
лазерного излучения. Так, наносекундный лазер мощностью 106–1012
Вт позволяет получить генерацию высших гармоник вплоть до 141-й,
что соответствует длине волны λ = 7 нм. Данная установка обеспечивает интенсивность излучения в околофокальной плоскости до 1016
252

Вт/см2, что соответствует значению напряженности электрического
поля выше внутриатомной. Излучение на 141-й гармонике умеренно
фокусируется, хотя мощность его невысока и соответствует нескольким сотням квантов на импульс.
Применение лазеров многообразно. Способность концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном
интервале может быть использована двояко:
 нерезонансное взаимодействие мощных световых потоков с
веществом в непрерывном и импульсном режимах (лазерная технология, лазерный термоядерный синтез и др.);
 селективное воздействие на атомы, ионы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции (лазерная химия, лазерное разделение изотопов и другие). Для лазерного ввода энергии в вещество
характерна точная локализация, дозированность и стерильность.
Технологические процессы (сварка, резка и плавление металлов)
осуществляются главным образом газовыми лазерами, обладающими
высокой средней мощностью. В металлургии лазеры позволяют получить сверхчистые металлы, выплавляемые в вакууме или в контролируемой газовой среде. Для точечной сварки используются и твердотельные лазеры. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются для изучения быстропротекающих процессов, сверхскоростной фотографии и т. п. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов.
Лазеры с перестраиваемой частотой (например, лазеры на красителях) произвели революцию в спектроскопии, существенно повысили разрешающую способность и чувствительность метода вплоть до наблюдения спектров отдельных атомов (лазерная спектроскопия, начало которой
было заложено в 1960–1961 гг. А. Шавловым и Н. Бломбергеном (США),
удостоенными Нобелевской премии по физике 1981 г.).
Лазеры применяются в медицине как бескровные скальпели, при
лечении глазных, кожных заболеваний и др. Лазерные локаторы (лидары) позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере на различных высотах, определять скорость воздушных течений, температуру и состав атмосферы. Лазерная локация уточнила
значение астрономической постоянной и способствовала совершенствованию систем космической навигации, расширила знания об атмосферах и строении поверхности Луны, Венеры, Меркурия и Марса.
С появлением лазеров связано рождение новых разделов науки, техники и технологии, таких как квантовая электроника, квантовая и нелинейная оптика, голография и др. Одним из возможных путей реше253

ния проблемы управляемого термоядерного синтеза является использование лазеров для нагрева плазмы.
Особенностям структуры и работы отдельных типов лазеров посвящено значительное количество оригинальных статей и монографий, поэтому в данном пособии мы не имеем возможности все это
отразить, ограничивших лишь отдельными фрагментами, отсылая читателей к специальной литературе.

5.2. Лазерный термоядерный синтез
Рассмотрим физические принципы лазерного термоядерного
синтеза – быстроразвивающегося научного направления, в основу которого легли два выдающихся открытия XX столетия: термоядерные
реакции и лазеры. Термоядерные реакции протекают при слиянии
(синтезе) ядер легких элементов. При этом наряду с образованием более тяжелых элементов выделяется избыточная энергия в виде кинетической энергии конечных продуктов реакции и гамма-излучения.
Большое энерговыделение при протекании термоядерных реакций и
привлекает внимание ученых из-за возможности их практического
применения в земных условиях. Так, термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены в водородной (или термоядерной) бомбе. Чрезвычайно привлекательной представляется возможность утилизации энергии, выделившейся при термоядерных реакциях для решения энергетической проблемы. Дело в том, что топливом при таком
способе получения энергии является изотоп водорода дейтерий (D),
запасы которого в Мировом океане практически неисчерпаемы.
Термоядерная реакция – это процесс слияния (или синтеза) легких ядер в более тяжелые. Так как при этом происходит образование
сильносвязанных ядер из более рыхлых, процесс сопровождается выделением энергии связи. Легче всего происходит слияние изотопов
водорода – дейтерия D и трития T. Ядро дейтерия (дейтрон) содержит
один протон и один нейтрон. Дейтерий содержится в воде в соотношении 1 часть на 6 500 частей водорода. Ядро трития (тритон) состоит
из протона и двух нейтронов. Тритий нестабилен (период полураспада
12,4 года), однако может быть получен в результате ядерных реакций.
При синтезе ядер дейтерия и трития образуются гелий He с атомной
массой, равной четырем, и нейтрон n. В результате реакции выделяется энергия 17,6 МэВ. Слияние ядер дейтерия происходит по двум каналам примерно с одинаковой вероятностью: в первом образуются
тритий и протон p и выделяется энергия, равная 4 МэВ; во втором канале – гелий с атомной массой 3 и нейтрон, а выделившаяся энергия –
3,25 МэВ. До процесса слияния ядра дейтерия и трития обладают
254

энергией порядка 10 кэВ; энергия продуктов реакции достигает величины порядка единиц и десятков мегаэлектронвольт. Следует также отметить, что сечение реакции D–T и скорость ее протекания значительно
выше (в сотни раз), чем для реакции D–D. Следовательно, для реакции
D–T значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на организацию процессов слияния.
Возможны и реакции синтеза с участием других ядер элементов
(например, лития, бора и т. д.). Однако сечения реакций и скорости их
протекания для этих элементов существенно меньше, чем для изотопов водорода, и достигают заметных значений лишь для температур
порядка 100 кэВ. Достижение таких температур в термоядерных установках в настоящее время предоставляется совершенно нереальным,
поэтому лишь реакции слияния изотопов водорода могут иметь практическое применение в ближайшем будущем.
Проблема практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что слиянию ядер препятствуют электрические силы расталкивания. Поэтому для синтеза ядер, образования новых элементов и выделения избыточной энергии необходимо
преодолеть кулоновский барьер 0,1–0,5 МэВ, т. е. совершить работу
против сил расталкивания, сообщая ядрам необходимую энергию. Однако не обязательно сводить ядра вплотную, уже на расстояниях порядка 10–13 м весьма вероятным становится объединение ядер вследствие туннельного эффекта, так называемый подбарьерный, или туннельный, синтез. Кулоновская энергия при этом составляет лишь 0,01 МэВ.
Существуют две возможности реализации этого условия. Одна из
них заключается в столкновении двух ускоренных навстречу друг
другу пучков легких атомов. Оказалось, однако, что этот путь неэффективен. Дело в том, что вероятность слияния ядер в ускоренных
пучках чрезвычайно мала из-за низкой плотности ядер и ничтожно
малого времени их взаимодействия, хотя создание пучков необходимой энергии в существующих ускорителях проблемы не составляет.
Другой путь, который используется в настоящее время, – нагрев вещества до высоких температур (порядка 108 К). Чем выше температура,
тем выше средняя кинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.
Для того чтобы энергия, выделившаяся в результате реакции,
сравнялась с энергетическими затратами на нагрев плазмы до температур порядка 10 кэВ, необходимо выполнение так называемого критерия Лоусона:
nτ ≈ 1014 с/см3 для D–T-реакции;
nτ ≈ 1014 с/см3 для D–D-реакции,
255

где n – плотность дейтериево-тритиевой смеси, см–3; τ – время удержания, с.
Эти соотношения в СССР были получены И. Е. Таммом и
А. Д. Сахаровым, однако по режимным соображениям не были опубликованы.
К настоящему времени сформировались два в значительной мере
независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый из них основан на возможности удержания и
термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой
плотности (n ≈ 1014–1015 см–3) магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени (τ ≈ 1–10 с). К
таким системам относится «Токамак» (аббревиатура от «тороидальная
камера с магнитными катушками»), предложенный в 50-х гг. в СССР.
(И. Н. Головин рассказывал, что первоначальное название было «Токамаг», от конечного «магнит», но «магия» не понравилась кому-то
наверху, и название стало «индейским».)
Другой путь импульсный. При импульсном подходе необходимо
быстро нагреть и сжать малые порции вещества до таких температур и
плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за время существования ничем не удерживаемой или,
как говорят, инерциально удерживаемой плазмы. Оценки показывают,
что для того, чтобы сжать вещество до плотностей 100–1000 г/см3 и
нагреть его до температуры Т ≈ 5–10 кэВ, необходимо создать давление на поверхности сферической мишени Р ≈ 5 ·109 атм, т. е. нужен
источник, который позволял бы подвести к поверхности мишени энергию с плотностью мощности Q ≈ 1015 Вт/см2.
Впервые идея использования мощного лазерного излучения для
нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана
Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным в начале 60-х гг. Впоследствии из нее
сформировалось самостоятельное направление термоядерных исследований – лазерный термоядерный синтез (ЛТС).
Обсудим кратко основные физические принципы, заложенные в
концепцию достижения высоких степеней сжатия веществ и получения больших коэффициентов усиления по энергии с помощью лазерных микровзрывов. Рассмотрение построим на примере так называемого режима прямого сжатия. В этом режиме микросфера, наполненная термоядерным топливом, со всех сторон «равномерно» облучается
многоканальным лазером. В результате взаимодействия греющего
излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма с температурой в несколько кэВ (так называемая плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучу лазера с характерными скоростями
107–108 см/с. Греющее излучение распространяется вглубь мишени
256

лишь до области с плотностью электронов, называемой критической,
где частота лазерного излучения сравнивается с плазменной. Значение
критической плотности n связано с частотой лазера, например для
неодимового лазера с длиной волны λ = 1,06 мкм n = 1021 см–3. В
окрестности этой области излучение начинает поглощаться, а непоглощенная часть отражается, также поглощаясь плазмой. Основной
механизм поглощения здесь так называемое обратное тормозное поглощение света электронами (электрон поглощает излучение, рассеиваясь в поле иона). Вблизи критической плотности наряду с классическим обратным тормозным механизмом поглощения важную роль играют резонансный и так называемые аномальные механизмы, связанные с развитием в плазме параметрических неустойчивостей. Часть из
параметрических неустойчивостей ведет к увеличению доли поглощенной энергии, а такие, как вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние, – к «паразитному» рассеянию излучения на плазменной короне. Другое явление – рефракция греющего излучения в плазменной короне также может вести к уменьшению поглощения. Дело в том, что показатель преломления увеличивается от нуля в области с критической плотностью
до единицы на краю плазмы. В этом случае плазменная корона действует как отрицательная линза для всех лучей, параллельных градиенту
плотности, выталкивая их из плотных областей плазмы. К счастью, эффекты вынужденного рассеяния оказались не столь существенны.
Не имея возможности более детально остановиться на процессах
поглощения в плазменной короне, отметим, что в современных модельных экспериментах на уровне энергий лазерного излучения
10–100 кДж для мишеней, сравнимых по размерам с мишенями для
больших коэффициентов усиления, удается достичь высоких (≈ 90 %)
коэффициентов поглощения греющего излучения. Световое излучение
не может проникнуть в плотные слои мишени, так как плотность твердого тела составляет ≈ 1023 см–3. За счет теплопроводности энергия,
поглощенная в плазме с электронной плотностью, меньшей nкр, передается в более плотные слои, где происходит абляция вещества мишени. Оставшиеся неиспаренными слои мишени под действием теплового и реактивного давления ускоряются к центру, сжимая и нагревая
находящееся в ней топливо. В итоге энергия лазерного излучения превращается на рассматриваемой стадии в кинетическую энергию вещества, летящего к центру, и в энергию разлетающейся короны. Очевидно, что полезная энергия сосредоточена в движении к центру. Эффективность вклада световой энергии в мишень характеризуется отношением указанной энергии к полной энергии излучения – так называемым гидродинамическим коэффициентом полезного действия (КПД).
257

Достижение достаточно высокого гидродинамического КПД
(10–20 %) является одной из важных проблем ЛТС.
Какие же процессы могут препятствовать достижению высоких
степеней сжатия? Один из них заключается в том, что при термоядерных плотностях излучения Q > 1014 Вт/см2 заметная доля поглощенной энергии трансформируется не в классическую волну электронной
теплопроводности, а в потоки быстрых электронов, энергия которых
много больше температуры плазменной короны (так называемые
надтепловые электроны). Это может происходить как за счет резонансного поглощения, так и вследствие параметрических эффектов в
плазменной короне. При этом длина пробега надтепловых электронов
может оказаться сравнимой с размерами мишени, что приведет к
предварительному прогреву сжимаемого топлива и невозможности
получения предельных сжатий. Большой проникающей способностью
обладают и рентгеновские кванты большой энергии (жесткое рентгеновское излучение), сопутствующие надтепловым электронам. Тенденцией экспериментальных исследований последних лет является
переход к использованию коротковолнового лазерного излучения
(λ < 0,5 мкм) при умеренных плотностях потока (Q < 1015 Вт/см2).
Практическая возможность перехода к нагреву плазмы коротковолновым излучением связана с тем, что коэффициенты конверсии излучения твердотельного неодимового лазера (основного кандидата в драйверы для ЛТС) с длиной волны λ = 1,06 мкм в излучения второй, третьей и четвертой гармоник с помощью нелинейных кристаллов достигает 70–80 %. В настоящее время фактически все крупные лазерные
установки на неодимовом стекле снабжены системами умножения
частоты. Физической причиной преимущества использования коротковолнового излучения для нагрева и сжатия микросфер является то,
что с уменьшением длины волны увеличивается поглощение в плазменной короне и возрастают абляционное давление и гидродинамический коэффициент передачи. На несколько порядков уменьшается
доля надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне,
что является чрезвычайно выгодным для режимов как прямого, так и
непрямого сжатия. Для непрямого сжатия принципиально и то, что с
уменьшением длины волны увеличивается конверсия поглощенной
плазмой энергии в мягкое рентгеновское излучение.
Остановимся теперь на режиме непрямого сжатия. Физический
анализ показывает, что осуществление режима сжатия до высоких
плотностей топлива оптимально для простых и сложных оболочечных
мишеней с аспектным отношением R/D в несколько десятков. Здесь
R – радиус оболочки, D – ее толщина. Однако сильное сжатие может
быть ограничено развитием гидродинамических неустойчивостей,
258

которые проявляются в отклонении движения оболочки на стадиях ее
ускорения и торможения в центре от сферической симметрии и зависят от отклонений начальной формы мишени от идеально сферической, неоднородного распределения падающих лазерных лучей по ее
поверхности. Развитие неустойчивости при движении оболочки к центру приводит сначала к отклонению движения от сферическисимметричного, затем к турбулизации течения и, в конце концов, к
перемешиванию слоев мишени и дейтериево-тритиевого горючего. В
результате в конечном состоянии может возникнуть образование,
форма которого резко отличается от сферического ядра, а средние
плотность и температура значительно ниже величин, соответствующих одномерному сжатию. При этом начальная структура мишени
(например, определенный набор слоев) может быть полностью нарушена. Физическая природа такого типа неустойчивости эквивалентна
неустойчивости слоя ртути, находящегося на поверхности воды в поле
тяжести. При этом, как известно, происходит полное перемешивание
ртути и воды, т. е. в конечном состоянии ртуть окажется внизу. Аналогичная ситуация может происходить и при ускоренном движении к
центру вещества мишени, имеющей сложную структуру, или в общем
случае при наличии градиентов плотности и давления.
Требования к качеству мишеней достаточно жестки. Так, неоднородность толщины стенки микросферы не должна превышать 1 %,
однородность распределения поглощения энергии по поверхности
мишени 0,5 %. Предложение использовать схему непрямого сжатия
как раз и связано с возможностью решить проблему устойчивости
сжатия мишени. Принципиальная схема эксперимента непрямого сжатия следующая. Излучение лазера заводится в полость, фокусируясь
на внутренней поверхности внешней оболочки, состоящей из вещества с большим атомным номером, например золота. Как уже отмечалось, до 80 % поглощенной энергии трансформируется в мягкое рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку. К преимуществам такой схемы относятся: возможность достижения более высокой однородности распределения поглощенной
энергии по поверхности мишени, упрощение схемы лазера и условий
фокусировки и т. д. Однако имеются и недостатки, связанные с потерей энергии на конверсию в рентгеновское излучение и сложностью
ввода излучения в полость.
Эксперименты по достижению высоких плотностей сжимаемого
топлива в режиме прямого сжатия начались в середине 70-х гг. в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, где на установке «Кальмар» с
энергией E = 200 Дж была достигнута плотность сжимаемого дейтерия
n ≈ 10 г/см3. В дальнейшем программы работ по ЛТС активно развива259

лись в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской национальной лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии
(«Гекко-12»), России («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в
Арзамасе-16) на уровне энергии лазеров 1–100 кДж. Детально исследовались все аспекты нагрева и сжатия мишеней различной конфигурации в режимах прямого и непрямого сжатий. Достигаются абляционное давление ~100 Мбар и скорости схлопывания микросфер
V > 200 км/с при значениях гидродинамического КПД порядка 10 %.
Прогресс в развитии лазерных систем и конструкций мишеней позволил обеспечить степень однородности облучения сжимаемой оболочки
1–2 % как при прямом, так и при непрямом сжатии. В обоих режимах
были достигнуты плотности сжатого газа 20–40 г/см3, а на установке
«Гекко-12» была зарегистрирована плотность сжатой оболочки 600 г/см3.
Максимальный нейтронный выход N = 1014 нейтронов за вспышку.
Таким образом, вся совокупность полученных экспериментальных результатов и их анализ указывают на практическую реализуемость следующего этапа в развитии лазерного термоядерного синтеза –
достижение плотностей дейтериево-тритиевого газа 200–300 г/см3, осуществление сжатия мишени и достижение заметных коэффициентов
усиления k на уровне энергии E = 1 МДж. В настоящее время за рубежом интенсивно разрабатывается элементная база и создаются проекты лазерных установок мегаджоульного уровня. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е = 1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд долларов. Создание установки аналогичного уровня запланировано и во Франции.
На этой установке планируется достижение коэффициента усиления
по энергии ~100. Нужно сказать, что запуск установок такого масштаба не только приблизит возможность создания термоядерного реактора на основе лазерного термоядерного синтеза, но и предоставит в
распоряжение исследователей уникальный физический объект – микровзрыв с энерговыделением 107–109 Дж, мощный источник нейтронного, нейтринного, рентгеновского и γ-излучений. Это будет иметь не
только большое общефизическое значение (возможность исследовать
вещества в экстремальных состояниях, физики горения, уравнения
состояния, лазерных эффектов и т. д.), но и позволит решить специальные задачи прикладного, в том числе военного, характера.
Для реактора на основе лазерного термоядерного синтеза необходимо, однако, создание лазера мегаджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В ряде лабораторий исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 г.
260

С 1988 г. и до конца жизни отделом лазерного термоядерного
синтеза Отделения квантовой радиофизики Физического института
им. П. Н. Лебедева заведовал академик Лев Петрович Феоктистов
(1928–2002), выдающийся ученый, один из создателей термоядерного
оружия, Герой Социалистического труда, лауреат Ленинской и Государственной премий. Здесь Лев Петрович совместно с Н. Г. Басовым
продолжил исследования различных вариантов ядерных и термоядерных реакторов, начатые им еще во время работы во ВНИИТФ. Благодаря этим исследованиям появилась концепция гибридного реактора,
в котором подкритический реактор подсвечивается термоядерными
нейтронами, получаемыми в результате лазерного синтеза. В частности, Л. П. Феоктистовым был предложен двухкаскадный вариант реактора, сочетающий в себе быстрый маломощный реактор-усилитель с
энергетическим тепловым, в котором можно ожидать коэффициента
усиления термоядерной энергии до 5 тыс. раз.
Вспоминает главный научный сотрудник ФИАН Сергей Гуськов
[44]: «Отдел лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) был создан в
1990 г. по решению Николая Геннадьевича Басова специально для
Льва Петровича, который стал первым руководителем этого отдела. К
моменту образования отдела в отделении квантовой радиофизики уже
в течение длительного времени (с середины 60-х гг.) велись работы в
области взаимодействия лазерного излучения с веществом и ЛТС. Вообще, ФИАН – пионер в области ЛТС. Принцип инерциального термоядерного синтеза – надо сжать вещество, нагреть, и если за время
сжатия оно не разлетелось и произойдут реакции, то будет термоядерный выход и возможность управления реакцией только за счет сил
инерции. Вероятность термоядерного выхода определяется той плотностью, до которой сжали вещество, и той температурой, до которой
его нагрели. Чем больше сжать вещество, тем больше скорость реакции. У лазера должен быть специально подобран импульс. Мишень
должна быть определенной конструкции.
Лев Петрович очень много занимался именно мишенной частью.
Идеи эти были выдвинуты Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным в 1961 г. в
докладе на заседании президиума Академии наук. Тогда и было предложено новое направление, новый способ создания и удержания термоядерной плазмы. После этого началась напряженная работа, и в
1968 г. были получены первые термоядерные нейтроны. Демонстрация проводилась еще без сжатия, только нагрев, но уже зарегистрировали нейтроны. Создан ряд лазеров, каждый из которых в свое время
считался самым крупным в мире. Например, лазер «Кальмар»
(100 Дж). Это была выдающаяся установка, единственная в мире, которая позволила облучать сферическую мишень сразу с девяти
261

направлений. Взаимодействие ФИАНа по этим работам было с Феоктистовым, когда он еще работал в Челябинске-70, во ВНИИТФ. Помимо специальных задач, которые поглощали большую часть его времени, Лев Петрович всегда интересовался физикой ЛТС. Ряд процессов, которые протекают при взрыве бомбы (сжатие вещества, нагрев
плазмы, удержание конструкции, инициирование реакции), могут проверяться при аналогичных условиях в экспериментах с лазерной мишенью в лабораторных условиях, а не на полигоне. Это, конечно, не
тот диапазон температур и плотностей, которые имеют место в бомбе,
но взаимосвязь процессов тесная.
Лев Петрович был председателем межведомственной комиссии,
которую создали по предложению Н. Г. Басова для координации работ
в области ЛТС между различными ведомствами, включая Академию
наук и Министерство среднего машиностроения. Это было мудрое
решение, потому что ФИАН, в котором велись работы по ЛТС, в силу
статуса академического института не в состоянии был строить очень
большие установки, это даже финансированием не предусматривалось. Центры Минсредмаша, такие как Арзамас-16 (ныне Саров), Челябинск-70 (ныне Снежинск), имели большой технический потенциал
для проведения крупных исследований и могли оказать помощь в развитии новых направлений. По всей видимости, Басов и Феоктистов
именно тут искали возможности создания контактов, научной и, конечно, финансовой поддержки ФИАНа со стороны того же ВНИИТФ.
Эта комиссия работала с конца 70-х до середины 80-х гг. и состояла из
представителей АН, ТРИНИТИ (Троицк), который был тогда филиалом Курчатовского института, самого Курчатовского института,
ВНИИЭФ (Арзамас-16) и ВНИИТФ (Челябинск-70). Всего в комиссии
было человек двенадцать.
Работать с Феоктистовым было исключительно интересно. То,
что он был начальником, никогда не ощущалось. Я понимал, что он
выдающийся физик. Он никогда ничего не приказывал, всегда было
какое-то обсуждение, он умел слушать.
Если говорить о моей с ним работе, у меня было много интересных задач. Я бы рассказал о двух направлениях, которые ярко характеризуют Феоктистова как выдающуюся личность и как талантливейшего ученого. В сложной экономической ситуации начала 90-х гг. Л.
П. подстегивал нас не как начальник, а как физик. Он все время говорил: «Нужны серьезные задачи!» Тут на науку вообще денег не отпускают, а он говорит: «Нужно сформулировать задачу». Дадут, не дадут
денег – не важно, все равно надо ставить серьезные научные задачи.
Ему всегда нужна была физика. Он всегда добивался своего. Например, он хотел, чтобы в лаборатории был свой действующий лазер. Бу262

дучи теоретиком, он физики без эксперимента не представлял. С
большим трудом, но лазер был создан. Вернее, реконструирован из
старого железа. Трудностей было дикое количество: нет приборов, нет
на них денег. Тем не менее деньги где-то доставались, Феоктистов договаривался в Минатоме, дело продвигалось. Но еще до того, как этот лазер
был создан, он говорил: «Нужно придумать задачи под этот лазер».
Лев Петрович инициировал работы по нескольким очень важным
задачам и сам принимал в них участие. В 93-м он высказывает идею,
которая родилась из его «бомбовой» практики, – «термоядерные системы с бесконечным усилением энергии». Представьте, что вы взорвали одну бомбу, не важно, с помощью какого источника. Вторая,
побольше, помещенная рядом, взрывается за счет передачи ей энергии
взрыва первой бомбы, содержащейся главным образом в излучении.
Дальше расположена еще большая бомба. Можно ли увеличить коэффициент усиления – т. е. отношение энергии, которую вы освободили,
к энергии, которую вы подвели? Можно ли выйти на бесконечность?
Львом Петровичем было получено строгое математическое подтверждение, что можно выйти на бесконечный коэффициент усиления по
энергии. Но это дискретная система. А можно ли придумать непрерывную систему с бесконечным усилением термоядерной энергии?
Оказывается, можно. Такая система представляет собой две коаксиальные цилиндрические оболочки. Внутри центрального цилиндра
распространяется волна термоядерного горения. При этом система
устроена так, что часть выделяющейся термоядерной энергии преобразуется в энергию мягкого рентгеновского излучения. Это излучение
распространяется в промежутке между цилиндрами, обгоняя волну
термоядерного горения, и сжимает термоядерное горючее непосредственно перед фронтом волны горения, тем самым улучшая условия
распространения и эффективность волны горения. Мы со Львом Петровичем получили изящное аналитическое решение этой достаточно
сложной многопараметрической задачи на основе автомодельного
подхода. Потом это решение было опубликовано в «Письмах в
ЖЭТФ», а сама работа доставила мне большое удовольствие.
Вторая задача – это так называемая концепция прямого зажигания в инерциальном термоядерном синтезе. Представьте, что у вас
есть тонкая сферическая оболочка, в середине которой – ДТ (смесь
дейтерия и трития). Если вещество в виде ДТ-льда, то надо предусмотреть криогенную установку, чтобы мишень была при температуре
нескольких десятков градусов Кельвина. Лазером мы сжимаем оболочку и заключенное внутри нее ДТ-вещество. Но одновременно вещество греется под воздействием ударной волны, что препятствует
сжатию. Возникает задача: можно ли так сжать вещество, чтобы его не
263

греть? Оказалось, есть такое решение – нужно временное профилирование давления. Давление не должно быть сразу большим. Такое решение задачи было получено независимо нами и американцами в Ливерморской лаборатории. Но воплотить это решение на практике оказалось сложно. Очень трудно задать давление. Во-первых, это очень
дорого. К тому же система неустойчива. Мы предложили эти процессы сжатия и нагрева разделить радикальным способом: сначала сжимать, а потом уже сжатое вещество нагреть, при этом применить два
разных источника энергии. Первый лазер медленно сжимает мишень
по так называемой холодной адиабате. На это тратится основная энергия. После этого в момент максимального сжатия нужно воздействовать на мишень вторым, очень мощным лазерным импульсом (с интенсивностью 1018–19 Вт/см2) с очень короткой длительностью (несколько десятков пикосекунд) – для того чтобы нагреть термоядерное
топливо до термоядерных температур за время, пока оно не разлетелось. Еще одна особенность подхода заключается в том, что нагревать
надо не все топливо, а только сотую часть его массы. В этой области
происходит инициирование волны термоядерного горения, которая
затем распространяется на все окружающее сжатое топливо. Однако
имеется серьезная проблема. В момент максимального сжатия остается часть оболочки, сжимавшей топливо. Оболочка должна оставаться,
и она должна быть тяжелей ДТ. Пусть 80 % ее испарилось, но оставшиеся 20 % должны держать ДТ. Возникает задача: как пробиться
вторым лазером к термоядерному веществу? Тогда родилась идея сделать симметричные дырки в самой первоначальной конструкции оболочки. Но плазма разлетается во все стороны, и эти окошки будут «затекать». Нашли и тут выход – сделать покрытия окошечек совсем из
специального материала, отличного от материала оболочки. Мы
назвали такую мишень «мишенью прямого зажигания» и опубликовали с Феоктистовым в 1992 г. статью, а доложили на конференции еще
в 91-м г. Эта конференция была посвящена вопросам взаимодействия
излучения с веществом и ЛТС и проходила в Варшаве (Польша). Кроме наших там были коллеги из Франции и США. Доклад получил статус «приглашенного» пленарного доклада, я его делал. Лев Петрович
был тоже на конференции. А в 1994-м г. американцы опубликовали
свою работу в журнале «Физика плазмы», где без всяких ссылок на
наши достижения изложили точно такой же подход к проблеме – разделение стадий сжатия и нагрева. Правда, ничего не говорилось об
окнах. У них вместо этого прозвучала идея пробивания отверстий во
время самого процесса нагрева. Лазерный импульс разделяется на две
части. Один пробивает дырочку, а другой входит в нее. Они назвали
эту идею «быстрое зажигание» (fast ignition) в отличие от нашего пря264

мого зажигания (direct ignition). Сейчас подход прямого зажигания,
как в редакции с мишенью, имеющей дырки, так и в редакции пробивания дырки в процессе нагрева, исследуется во всех крупнейших лабораториях мира. Это направление является самым перспективным в
проблеме инерциального термоядерного синтеза, так как требует значительно меньших энергетических затрат, чем традиционные подходы. Энергия падает с 1 МДж до 200 кДж.
Работа со Львом Петровичем над этими и другими проблемами
приносила удовлетворение и большое удовольствие – настолько это
была богатая личность, щедрая на идеи. Интеллигентнейший человек!
Способ мышления очень интересный – самый сложный процесс он
умел объяснить просто. Лев Петрович говорил, что этому подходу он
научился у Якова Борисовича Зельдовича и Давида Альбертовича
Франк-Каменецкого. Мыслить и излагать просто. Он выделял главное
в процессе и те параметры, с помощью которых можно это главное
объяснить. Ему тоже было нужно любую проблему объяснить так,
чтобы он понял. Часто он останавливал собеседника и говорил: «Чтото не так, это непонятно». Но это всегда говорилось интеллигентно –
он просто предлагал подумать еще. Саму идею он, конечно, ухватывал
мгновенно. Когда он выступал с докладом, это был целый спектакль.
Он говорил очень красиво, был исключительно обаятельным. От него
трудно было услышать резкое слово даже в полемике».

5.3. Военное применение лазеров
Широко (к сожалению) лазеры используются в военном деле. По
словам директора военных исследовательских программ фирмы «Боинг»: «высокоэнергетические лазеры являются оружием будущего и
всегда останутся таковыми… Но для тактических лазеров оно уже
наступило». В США ожидается постановка на вооружение лазерных
пушек, прототипом которых является FEL -лазер на свободных электронах; созданный в лаборатории имени Т. Джефферсона (Вирджиния) образец имеет мощность 100 кВт и ожидается повышение мощности до нескольких МВт. ИК передовой химический лазер MIRACL
устанавливается на «Боинг 747-400». Его модификация MTHEL, установленная на автомобильном трейлере, на полигоне позволила уничтожить в полете сразу несколько снарядов. В сентябре 1985 г. водород-фторный лазер MIRACL мощностью 2,2 МВт за 12 с прожег отверстие в корпусе бака ракеты «Титан-1». На полигоне Белые Пески
(Нью-Мексико) испытан армейский лазер «Зевс», смонтированный на
вездеходе «Хаммер», мощностью 100 кВт и дальностью действия до
265

8 км (полупроводниковый лазер разработан в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса).
Основной проблемой мощного лазерного оружия является его
высокое энергопотребление. Так, для одного выстрела по ракете водород-фторному лазеру требуется до 500 кг химического топлива. Разрабатываемые в программе стратегической оборонной инициативы
(СОИ) эксимерные лазеры наземного базирования с наведением на
цель с помощью орбитальных зеркал диаметром 5 м требуют для своей накачки до 300 ГВт в течение нескольких минут, что составляет
примерно 60 % мощности от всей энергосистемы США. Поэтому стоимость лазерной части СОИ оценивается примерно в 100 млрд долл.
Определенные перспективы в этом плане связывают с разработкой
лазеров на свободных электронах, использующих синхротронный эффект при прохождении пучка электронов через вигглер (магнитную
гребенку), КПД которых может достигнуть 20 % при длине волны излучения 0,5–0,6 мкм. С декабря 2000 г. идет комплексная проверка
системы НПРО на базе водород-фторного лазера «Альфа-ХЕЛ», которые являются частью программы SBL-IFX (Space Based Lasers Integrated Flight Experiments) с началом эксплуатации в 2020 г.
Что касается отечественных разработок в этой области, то можно
упомянуть проект «Терра» (1983–1987) по установке газодинамического лазера массой около 60 т на самолет Ил-76 МД («А-60»); создание в 1985 г. корабельной лазерной системы ПВО «Айдар», способной
прожечь обшивку самолета на высоте 400 м; и, наконец, лазерное русское чудо – газодинамический СО2-лазер мощностью 1 МВт, разработанный в ТРИНИТИ, НПО «Алмаз» и НИИ электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова; на основе этой разработки создан мобильный (на двух прицепах) комплекс МЛТК-50 мощностью 2 кВт.
Определенный интерес представляет история создания мощных
лазеров для программ противоракетной обороны. В изложении материала мы опираемся на статью П. В. Зарубина [17].
Советская лазерная программа. В начале 60-х гг. прошлого века, когда идея лазера – генератора мощного когерентного остронаправленного светового луча – стала обрастать в физических лабораториях «железом» технических решений, появились реальные возможности создания оптических квантовых генераторов с большой мощностью и энергией излучения (в те годы у нас еще не был принят заимствованный из английского языка термин «лазер»). Основополагающие труды по квантовой электронике и мазерам Чарльза Таунса,
Александра Прохорова и Николая Басова были удостоены Нобелевской премии в 1964 г. С начала 60-х гг. на специалистов обрушилась
лавина сообщений по лазерной тематике: в каждом номере ведущих
266

физических и инженерных журналов публиковались новые идеи, схемы и конструкции лазеров, предложения, расчеты, результаты экспериментов. Главным научным центром нашей страны, где выполнялись
пионерские работы по квантовым генераторам, и в частности по лазерам, стал Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР
(ФИАН). Ученые ФИАН, в первую очередь группы, которыми руководили А. М. Прохоров и Н. Г. Басов, в начале 60-х гг. сосредоточили
свои усилия на увеличении энергии и мощности лазерного излучения,
а также на поиске новых типов лазеров. В институте царила атмосфера
оптимизма и уверенности в возможности достижения высоких энергетических характеристик лазеров. Достаточно быстро (в течение всего
нескольких лет!) исследователями были получены выдающиеся результаты по совершенствованию лазеров и повышению мощности их
излучения, открывшие перспективы создания оружия на их основе,
названного вскоре «лазерным оружием». В ряде развитых стран мира,
в первую очередь в США и СССР, началась гонка, финиш которой,
как надеялись, принесет победителю обладание оружием большой
силы и дальности действия, позволяющим почти мгновенно поражать
удаленную цель.
Проблемой особой важности в США и в СССР была (впрочем, и
сейчас остается) противоракетная оборона (ПРО). Атмосфера, в которой зарождался проект использования лазеров в системе ПРО, определялась тем, что в 60-е гг. и в СССР и в США создание систем ПРО
рассматривалось как национальная стратегическая задача. В 1963 г.
заместитель министра обороны СССР (впоследствии министр обороны) А. А. Гречко обратился к президенту АН СССР М. В. Келдышу с
просьбой оценить возможность военных применений лазеров. Тот, в свою
очередь, запросил мнения ведущих физиков-лазерщиков из ФИАНа, в
том числе Н. Г. Басова. В ответе АН СССР подчеркивался большой
потенциал лазеров как для научных, так и для оборонных применений
и предлагались новые направления работ по увеличению энергетики
существовавших в то время лазеров и созданию лазеров новых типов.
Специалисты в области ПРО из ОКБ «Вымпел», главным конструктором и идейным руководителем которого в те годы был
Г. В. Кисунько, уже осознали и оценили необходимость решения ряда
коренных научно-технических проблем, связанных с возможностью
создания и характеристиками систем ПРО. Среди этих проблем первостепенное значение имело точное определение координат головных
частей баллистических ракет для наведения на них с минимальным
промахом противоракет, в которых вместо ядерных зарядов используются осколочные средства поражения. Отказ от ядерных зарядов в
противоракетах облегчал условия работы системы ПРО, так как
267

устранялись трудности, связанные с последствиями ядерного взрыва
боевой части противоракеты для собственных радиолокаторов, не говоря уже о возможном воздействии таких взрывов над собственной
территорией на наземные объекты и население. Фактором, вызвавшим
интерес специалистов по ПРО к высокоэнергетическим лазерам, была
скорость доставки лазерной энергии к цели, примерно в сто тысяч раз
превышавшая скорость полета противоракеты. Это позволяло сэкономить драгоценные секунды, которых так не хватало разработчикам
систем на этапе «ближнего» перехвата, когда, с одной стороны, в атмосфере уже сгорают ложные цели и головную часть баллистической
ракеты легче обнаружить, а с другой – остаются считанные секунды
до ее «прибытия».
Еще в 1962 г. специалисты ОКБ «Вымпел», головной организации СССР по созданию системы ПРО, при непосредственном участии
Н. Г. Басова и его ближайшего сотрудника О. Н. Крохина начала изучаться возможность поражения головной части баллистической ракеты (ГЧБР) лазерным лучом. Оценки показывали, что для этого потребуется создать лазеры с предельно высокой энергией излучения (на
много порядков больше, чем в лазерном локаторе), поскольку головная часть баллистической ракеты – прочное устройство, рассчитанное
на большие механические и тепловые нагрузки. Для решения задач в
интересах ПРО были нужны лазеры с энергией в импульсе, превышающей достигнутую в 1962–1964 гг. энергию для лазерной локации в
сотни раз, а для поражения головной части баллистической ракеты – в
десятки миллионов (!) раз. Какая же именно энергия лазерного луча
необходима для поражения головной части баллистической ракеты,
было неясно. С самого начала в коллективе Н. Г. Басова понимали, что
шансов на поражение головной части баллистической ракеты тепловыми эффектами, вызываемыми нагревом лазерным излучением, мало.
О. Н. Крохин предложил использовать для этой цели механический
импульс отдачи, возникающий при быстром испарении внешнего слоя
теплозащитной оболочки головной части баллистической ракеты под
воздействием лазерного излучения высокой интенсивности. Этот механизм требовал тщательного теоретического и экспериментального
изучения, однако сама принципиальная возможность такого способа
поражения в те годы не вызывала сомнений. В 1964–1965 гг. удалось
убедить военно-промышленное руководство страны, в первую очередь
Д. Ф. Устинова, а также ряд других государственных и военных руководителей в том, что эту проблему, в принципе, можно решить. Надо
сказать, что Д. Ф. Устинов, будучи по образованию инженером, глубоко понимал решающую роль науки в развитии военной техники,
был доступен для крупных ученых и конструкторов и с интересом
268

поддерживал новые проекты, обещавшие прогресс в военной технике.
Авторитет его в вопросах оборонной техники, науки и промышленности был колоссальным, а мнение – почти всегда решающим.
В 1962 г. в СССР была утверждена первая государственная программа исследований по известным в то время направлениям лазерной
науки и техники. Она не была непосредственно привязана к возможным военным применениям лазеров и предусматривала создание лазеров различных типов (на кристаллах, стеклах, газах, полупроводниках). Предусматривались и работы по таким лазерам, которые при
внимательном рассмотрении оказались впоследствии несостоятельными, например по лазерам на водороде (имелось в виду создание
лазера на переходах орто- и параводорода). Наряду с ведущим институтом АН СССР ФИАН, возглавлявшимся в те годы Д. В. Скобельцыным, где лазерной тематикой руководили А. М. Прохоров и
Н. Г. Басов, к выполнению работ по лазерам подключились коллективы многих других научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и высших учебных заведений. В первую очередь надо
назвать Государственный оптический институт (ГОИ) им. С. И. Вавилова в Ленинграде (отделы М. П. Ванюкова, А. М. Бонч-Бруевича),
оборонный Научно-исследовательский институт прикладной физики
(научный руководитель Л. Н. Курбатов) в Москве, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (МГУ, физический
факультет, Р. В. Хохлов и С. А. Ахманов), научно-исследовательские
институты атомной и электронной промышленности. Число научных и
промышленных организаций, а также высших учебных заведений,
занявшихся исследованиями и созданием лазеров, нарастало лавинообразно и уже к середине 60-х гг., вероятно, достигало в СССР сотни.
Как и в других областях новой техники и технологии, военные проявляли значительный интерес к оборонным применениям лазеров, поддерживая и финансируя значительную часть работ ученых за счет
оборонных статей бюджета.
Одним из первых вариантов такого применения явилось создание
лазерного локатора ЛЭ-1. Для лазерной локации особый интерес
представлял новый в те годы режим гигантского импульса (позже
названный режимом модуляции добротности) для генерации коротких
и очень мощных импульсов лазерного излучения, впервые предложенный в США и во Франции. Создание лазеров с модулированной
добротностью, излучавших импульсы наносекундной длительности,
позволило приступить к оценке возможности их использования в импульсных высокоточных лазерных локаторах для ПРО. Группа молодых инженеров ОКБ «Вымпел» (В. Ф. Морсков, Н. И. Ломакин,
Н. П. Куксенко, Ю. П. Шилохвост и др.), впоследствии ставших ядром
269

разработчиков лазерных систем для ПРО, в лазерной лаборатории отдела под руководством Н. Д. Устинова (сын фактического руководителя военно-промышленного комплекса СССР Д. Ф. Устинова) выполняла начальные эксперименты. Он сам не был крупным специалистом, а являлся, скорее, влиятельной фигурой, участие которой объективно способствовало развитию лазерного направления в ОКБ «Вымпел». Основной движущей силой были научные достижения ФИАНа,
в частности группы Н. Г. Басова. В результате проведенных в ОКБ
«Вымпел» исследований, опиравшихся в отношении самих лазеров на
работы и прогнозы группы Н. Г. Басова, в начале 1963 г. в Военнопромышленную комиссию (ВПК, орган государственного управления
военно-промышленным комплексом СССР) был представлен проект
создания экспериментального лазерного локатора для ПРО, получивший условное название ЛЭ-1. Первоначально предполагалось построить локатор на основе рубинового лазера со средней мощностью излучения порядка 1 кВт при импульсной мощности десятки мегаватт в
режиме гигантского импульса.
Решение о создании на Балхашском противоракетном полигоне
высокоточного экспериментального локатора ЛЭ-1 для определения
координат ГЧБР на дальностях до 400 км было утверждено в сентябре
1963 г. Предполагалось достичь высокого пространственного и углового разрешения локатора (единицы метров и угловых секунд), для
того чтобы «разглядеть» отдельные элементы сложной цели, например
боеголовки, окруженной фрагментами ракеты и ложными целями, что
должно было, по замыслу разработчиков, в известной мере решить
проблему селекции настоящей боеголовки на фоне ложных целей.
В 1964–1965 гг. проект ЛЭ-1 разрабатывался и конкретизировался специалистами ОКБ «Вымпел» (лаборатория Г. Е. Тихомирова в
подразделении, возглавлявшемся О. А. Ушаковым). Работы по оптическим системам локатора велись в ГОИ в лаборатории П. П. Захарова, где
совместно с инженерами ОКБ «Вымпел» создавалась оптическая схема локатора. Локатор должен был осуществлять за короткое время
поиск целей в «поле ошибок» радиолокаторов, обеспечивавших целеуказание лазерному локатору, что требовало весьма высоких по тем
временам средних мощностей лазерного излучателя. Потребовалось
создать высокоточные быстродействующие оптические устройства
для формирования, переключения и наведения 192 лазерных лучей,
определявших поле поиска в пространстве цели. Локатор был построен и начал функционировать только в середине 70-х гг.
С организацией ЦКБ «Луч» и переводом лазерной тематики в
Министерство оборонной промышленности работы по локатору ЛЭ-1
ускорились и стали на реальную основу. К его созданию были привле270

чены дополнительные силы ряда предприятий оптической отрасли. В
1970–1971 гг. разработка локатора была завершена. Силами ОАО
«ЛОМО» и ленинградского завода «Большевик» (где директором в
предвоенные годы недолго был Д. Ф. Устинов) создавался уникальный по комплексу параметров телескоп ТГ1 для ЛЭ-1. Этот телескоп с
диаметром главного зеркала 1,3 м обеспечивал высокое оптическое
качество лазерного луча при работе со скоростями и ускорениями в
сотни раз более высокими, чем у классических астрономических телескопов. Были созданы многие новые узлы локатора: быстродействующие точные сканирующие и переключающие системы для управления
лазерным лучом, фотоприемники, электронные блоки обработки сигналов и синхронизации и другие устройства. Разработанный ЦКБ
«Геофизика» лазерный передатчик включал 192 весьма совершенных
по тому времени лазеров, систему их охлаждения и электропитания.
Для ЛЭ-1 было организовано производство высококачественных лазерных кристаллов рубина, нелинейных кристаллов КБР и многих
других элементов.
В 1974 г. наладочные работы на локаторе были завершены и
начались его поэтапные испытания при участии военных специалистов полигона и инженеров всех предприятий-разработчиков. Испытания позволили получить надежные экспериментальные данные по
всем важнейшим параметрам ЛЭ-1 и в целом подтвердили работоспособность и достижение большинства заданных характеристик. В
1980 г. постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР локатор
ЛЭ-1 по результатам испытаний был принят как средство для точных
траекторных измерений на Балхашском полигоне. С помощью ЛЭ-1
впоследствии велись локационные траекторные измерения орбит ряда
советских и зарубежных спутников и космических кораблей. При этом
предпринимались меры предосторожности, чтобы сигналы (хотя и
относительно небольшой мощности) лазерного локатора не нанесли
какого-либо ущерба функционированию чувствительной аппаратуры,
размещенной на космических аппаратах. Вопреки утверждениям,
встречавшимся в иностранной печати, работы локатора по пилотируемым космическим аппаратам и станциям, как по советским, так и по
американским, были весьма ограничены и фактически запрещены.
Сейчас ЛЭ-1, к сожалению, «ржавеет» в казахстанской каменистой степи, многие его части разломаны и разбиты, устарели физически и морально. Предпринимались попытки совместно с казахстанскими учеными «оживить» локатор, но эта весьма дорогостоящая работа не получила развития, ведь ЛЭ-1 теперь находится в другом государстве – суверенном Казахстане.
271

Поскольку основной задачей ОКБ «Вымпел» было создание комплексов и систем оружия ПРО, то особый интерес вызвало высказанное в конце 1964 г. весьма оптимистичное предложение Н. Г. Басова и
О. Н. Крохина, поддержанное затем и рядом других ученых, о принципиальной возможности прямого поражения (разрушения или повреждения оболочки) головной части баллистической ракеты мощным
лазерным излучением. У О. Н. Крохина родилась идея использования
для накачки лазеров самого мощного источника света: излучения, возникающего при взрыве атомного заряда в воздухе. Такой экзотический
источник по мощности и энергии излучения превосходил другие источники на много порядков. В 1964 г. американские ученые опубликовали сообщение о получении на лабораторном фотодиссоционном
лазере излучения с небольшими мощностью и энергией. Несколько
позже, в 1966 г., в США импульсная энергия излучения такого лазера
была доведена до 100 Дж. Н. Г. Басов и О. Н. Крохин предложили
применить именно этот тип лазера для достижения предельно высоких
энергетических характеристик при его оптической накачке излучением высокотемпературных взрывных источников (американцы не использовали такие источники). Создание очень мощных неламповых
источников света с требуемым спектром для накачки (фотодиссоциации) молекул рабочего вещества лазера было одной из основных проблем разработки фотодиссоционных лазеров.
Особенность среды для фотодиссоционных лазеров состоит в
наличии интенсивной полосы поглощения оптического излучения
накачки в УФ-области. Такое излучение эффективно генерируется
газовой плазмой при температурах порядка 25 000 К. Хотя рассматривалась также и идея использовать для этой цели световое излучение
ядерного взрыва в воздухе, наиболее существенной для практической
реализации мощных фотодиссоционных лазеров оказалась оригинальная идея ученых из ФИАНа и Всесоюзного научно-исследовательского института экспериментальной физики (ВНИИЭФ, известный также как Арзамас-16, ныне – Российский федеральный ядерный
центр (РФЯЦ ВНИИЭФ) в Сарове). Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным
было предложено использовать для накачки ФДЛ мощное световое
излучение ударной волны в тяжелом газе, создаваемой взрывом заряда
взрывчатого вещества. В 1965 г. эти ученые предложили отказаться от
кварцевой стенки, отделяющей тяжелый газ (например, ксенон)
взрывного или электрического источника накачки («открытый разряд») от активной среды фотодиссоционного лазера. Именно использование для накачки фотодиссоционного лазера энергии взрыва химических взрывчатых веществ в виде излучения фронта ударной волны
позволило в течение 4–5 лет увеличить энергию и мощность излуче272

ния фотодиссоционного лазера в миллионы раз и получить к 1970 г.
такую энергию излучения, которая и сейчас еще недоступна большинству других лазеров.
В 1965–1966 гг. в ходе работ, проведенных сотрудниками
ФИАН, ВНИИЭФ и ОКБ «Вымпел» (В. П. Аржанов, Б. Л. Борович,
В. С. Зуев, В. М. Казанский, В. А. Катулин, Г. А. Кириллов, С. Б. Кормер,
Ю. В. Куратов, А. И. Куряпин, О. Ю. Носач, М. В. Синицын, Ю. Ю. Стойлов и др.), была продемонстрирована возможность получения с помощью взрывных йодных фотодиссоционных лазеров мощных импульсов лазерного излучения на длине волны 1,315 мкм. Уже в первых сериях экспериментов были достигнуты значительные по тем временам
импульсная мощность и энергия излучения. В качестве главных компонентов рабочей среды лазера были выбраны соединения углерода, фтора и иода (трифториодметан CF3I или гексафториодпропан C3F7I). Создание фотодиссоционных лазеров с накачкой УФ-излучением фронта
ударной волны потребовало и преодоления определенного стереотипа
мышления: многим казалась дикой сама идея «взрывающегося» лазера.
В 1965 г. Н. Г. Басов и О. Н. Крохин предложили применить такие лазеры для поражения головных частей баллистических ракет реактивным механическим импульсом, возникающим при быстром испарении поверхности головной части под действием мощного лазерного
излучения. Н. Г. Басов сообщил об этой идее директору ФИАН Д. В. Скобельцыну и тогдашнему президенту АН СССР М. В. Келдышу, который привлек к рассмотрению данного предложения академиков
Ю. Б. Харитона, Я. Б. Зельдовича, А. Н. Щукина, А. Д. Сахарова,
А. Н. Тихонова, А. М. Прохорова, А. А. Самарского и генерального
конструктора систем ПРО Г. В. Кисунько. В 1963 и 1965 гг. состоялись совещания у М. В. Келдыша, на которых О. Н. Крохин докладывал о предложениях по применению мощных лазеров для решения
стратегических оборонных задач. При этом в 1963 г. было доложено
об использовании для накачки лазеров излучения фронта ударной
волны при ядерном взрыве, а в 1965 г. сделано предложение о создании сверхмощных фотодиссоционных лазеров, накачиваемых излучением ударной волны при взрыве химического взрывчатого вещества и
другими мощными источниками УФ-излучения, в частности электрическими разрядами.
Осенью 1965 г. Н. Г. Басовым, научным руководителем ВНИИЭФ
Ю. Б. Харитоном, заместителем директора ГОИ по научной работе
Е. Н. Царевским и главным конструктором ОКБ «Вымпел»
Г. В. Кисунько была направлена записка в ЦК КПСС, в которой говорилось о принципиальной возможности поражения головной части
баллистической ракеты лазерным излучением и предлагалось развер273

нуть соответствующую экспериментальную программу. Предложение
было одобрено, и программа работ по созданию лазерной стрельбовой
установки для задач ПРО, подготовленная совместно ОКБ «Вымпел»,
ФИАН и ВНИИЭФ, была утверждена решением правительства в
1966 г. Предусматривались разработка высокоэнергетических фотодиссоционных лазеров с энергией более 1 МДж и создание на их основе на Балхашском полигоне научно-экспериментального стрельбового лазерного комплекса (НЭК), на котором идеи лазерной системы
для ПРО должны были быть проведены в натурных условиях. Программа получила шифр «Терра-3».
В результате активной работы экспериментаторов и теоретиков
уже в 1966–1967 гг. стало ясно, что на выбранном пути могут быть
достигнуты такие значения импульсной энергии лазера (называлась
цифра до 10 МДж в импульсе, что энергетически соответствует 2 кг
мощного взрывчатого вещества), которые в те годы представлялись
почти фантастическими. Ученые полагали, что при этих высоких
энергиях и мощностях лазерного излучения удастся разрушить теплозащитное покрытие головной части баллистической ракеты. Первые
эксперименты с фотодиссоционными лазерами, проведенные в
1965–1967 гг., дали весьма обнадеживающие результаты и к концу
1969 г. во ВНИИЭФ с участием ученых ФИАН и ГОИ были разработаны, собраны и испытаны фотодиссоционные лазеры с энергией импульса излучения сотни тысяч джоулей, что было примерно в 100 раз
выше, чем у любого известного в те годы лазера. Были спроектированы и испытаны лазеры с диаметром рабочей полости более метра и
длиной десятки метров. Эти лазеры собирались из стандартных секций длиной около 3 м. Создание этих фотодиссоционных лазеров позволило начать эксперименты по изучению воздействия лазерного излучения высокой интенсивности на материалы и конструкции целей. С
развитием работ по взрывным фотодиссоционным лазерам возникла и
другая проблема: многим представлялась несуразной идея лазера, способного генерировать только один импульс и непременно самоуничтожаемого (по крайней мере, частично) в ходе работы. (Заметим,
что широкое применение ракетной техники почти полностью основано на использовании ракет, практически уничтожаемых в ходе
единственного удачного или неудачного запуска. Другим примером
является получение фотохронограмм взрывов в КБ-11 осенью 1947 г.,
в которых осколками оболочки заряда, залетающими в амбразуру,
разбивался входной объектив. Когда оптики стало не хватать – ее
просто не успевали делать, руководитель работ В. А. Цукерман придумал делать снимки с помощью плоского зеркала, которое хотя и
гибло при каждом эксперименте, но было проще в изготовлении,
274

нежели объектив. Чтобы не прерывать эксперименты, первые зеркала конфисковали из парикмахерских Кремлева, а В. А. Цукермана прекратили в них обслуживать.) Тем не менее схема взрывающегося лазера была весьма непривычна и подвергалась критике, в частности изза высокой стоимости первых образцов фотодиссоционных лазеров и
оптики к ним, которые разрушались при каждом эксперименте.
Пока физики и инженеры работали над совершенствованием лазеров, в ОКБ «Вымпел» под руководством О. А. Ушакова в
1967–1969 гг. разрабатывался (конечно, с участием ученых) эскизный
проект НЭК «Терра-3». Непосредственным руководителем разработки
проекта был военный инженер Н. Н. Шахонский (впоследствии генерал-майор), прикомандированный Министерством обороны к ОКБ
«Вымпел», а затем многие годы работавший в ЦКБ «Луч» (в настоящее время ФНЦ «НПО “Астрофизика”»). Проект создавался в условиях, когда далеко не полностью были ясны возможности создания лазеров, отсутствовали данные по уязвимости головных частей баллистических ракет, стойкости оптики к лазерному излучению, неясны были
и возможности прохождения лазерных пучков с высокими мощностью
и энергией через атмосферу. Возникало множество вопросов, в
первую очередь о том, как сформировать остронаправленный луч лазерного излучения, как его быстро и точно (ведь требовалось прямое
попадание) навести на летящую со скоростью 3–4 км/с головную часть
баллистической ракеты. При реализации первого варианта проекта
НЭК «Терра-3» в ОКБ «Вымпел» планировались, как выяснилось, нереально высокие значения стойкости оптики к лазерному излучению.
С появлением более мощных лазеров в экспериментах, проводимых во
ВНИИЭФ, обнаружилось, что оптика (оптическое стекло и оптические
покрытия) не выдерживает высоких интенсивностей лазерного излучения. Пришлось принимать срочные меры. Широкая программа работ по созданию более устойчивой к мощному излучению оптики выполнялась в ГОИ, где были детально изучены (под руководством
А. М. Бонч-Бруевича и Г. Т. Петровского) процессы ее разрушения и
факторы, определяющие ее стойкость. Родилось новое направление в
оптике – так называемая силовая оптика. Была начата программа создания оптики, выдерживающей интенсивные потоки лазерного излучения.
Разумеется, создание НЭК на Балхашском полигоне было бы невозможно без прямого участия в этой работе военных. Проект активно
поддерживал ведавший вопросами ПРО начальник Главного управления Министерства обороны СССР генерал-полковник Г. Ф. Байдуков –
национальный герой, участник знаменитого, первого в истории авиации перелета из Москвы в США через Северный полюс.
275

В 1967 г. достигнутые в экспериментах энергии фотодиссоционных йодных лазеров приблизились уже к 1 тыс. Дж в импульсе. При
этом хорошо финансировавшаяся, успешная работа по достижению
предельно высоких характеристик лазеров, конечно, увлекала многих
ученых и администраторов. Сыграл свою роль и высокий авторитет
руководителей программы, в первую очередь Н. Г. Басова и
Ю. Б. Харитона.
Руководство
военно-промышленного
комплекса
(Д. Ф. Устинов, Л. В. Смирнов, С. А. Зверев) и военные, очевидно,
верили в реальность задуманного и наращивали финансирование работ. По крайней мере, они, даже если и видели рискованный характер
проекта, не шли на его ограничение. Ведь программа ПРО оставалась
сверхактуальной, и руководство боялось «упустить» какое-нибудь
направление в ней, которое могло бы привести к созданию реальных
боевых систем. С другой стороны, постепенно становилось ясным, что
программа требует достаточно длительного этапа исследований и
крупномасштабных экспериментов, создания многих новых технологий, развития специальной экспериментально-стендовой базы и новых
производств, а следовательно, значительного времени.
В 1967–1968 гг. Г. В. Кисунько и системным разработчикам ПРО
из ОКБ «Вымпел» стало ясно, что лазерное оружие для ПРО – дело не
слишком близкого будущего, от них же правительство требовало создания систем ПРО уже в ближайшее время, поэтому их интерес к
лазерному проекту стал падать. Однако коллективы разработчиков
лазерного направления уже сформировались, масштабы и объемы финансирования этих работ возрастали, в программу были вовлечены
ведущие институты, а относительно быстрый и значительный прогресс в создании мощных взрывных йодных фотодиссоционных лазеров в те годы давал определенные основания для оптимизма. Росло и
понимание комплексности и сложности проблемы, требовавшей специальной организации работ. В конце 1968 г. возникли предложения о
реорганизации работ и выводе их из ОКБ «Вымпел», занятого созданием в первую очередь ракетных систем ПРО.
Для выполнения конструкторских работ по лазерному локатору
ЛЭ-1 и было решено создать в Москве на основе коллектива разработчиков лазерных систем из ОКБ «Вымпел» (СКБ-56) новое специализированное конструкторское бюро, получившее название ЦКБ «Луч».
Министр оборонной промышленности СССР С. А. Зверев подчеркивал конструкторский характер предстоящих работ этого предприятия,
полагая, очевидно, что научные проблемы, стоящие перед ним, в основном уже решены или решаются учеными АН СССР, ВНИИЭФ и
ГОИ. (Будущее показало ошибочность этого предположения, и ЦКБ
276

«Луч», впоследствии переименованное в ЦКБ «Астрофизика», во многом стало и научной организацией прикладного характера.)
В течение нескольких месяцев с привлечением научных руководителей программ из ОКБ «Вымпел», ФИАН, ВНИИЭФ, ГОИ, а также
представителей Министерства обороны СССР, был подготовлен проект Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР, предусматривавшего развертывание на Балхашском полигоне научно-экспериментального стрельбового лазерного комплекса, а также ряд организационных мер, включая создание в составе Министерства оборонной промышленности специализированной лазерной конструкторской
фирмы – ЦКБ «Луч». Для этого из ОКБ «Вымпел», входившего в состав Министерства радиопромышленности, выделялись подразделение
О. А. Ушакова (СКБ-56) и опытный завод. Предусматривались также
продолжение в ЦКБ «Луч» работ по созданию лазерного локатора ЛЭ-1 и
выполнение разработанных под руководством Н. Г. Басова программ
исследований в институтах АН СССР и в промышленности. После
«шлифовки» проекта в ВПК он был утвержден осенью 1969 г.
Директором вновь созданного для конструкторской реализации
лазерной программы ЦКБ «Луч» был назначен опытный работник оптической отрасли И. В. Птицын, который на предыдущих должностях
показал способность обеспечивать быстрое развитие и строительство
материально-технической базы своего предприятия. Главным конструктором ЦКБ «Луч» и руководителем проекта НЭК «Терра-3» совершенно неожиданно был назначен работавший в одном из оборонных конструкторских бюро опытный конструктор-ракетчик М. Г. Васин, который никогда ранее не занимался лазерами и лазерными системами. Его назначение свидетельствовало о том, что руководство
военно-промышленного комплекса считало принципиальные научнотехнические проблемы лазерного ПРО решенными и возлагало на
вновь созданную организацию в основном грамотное конструкторскотехническое оформление этих решений. Будущее показало глубокую
ошибочность этого мнения, сформировавшегося под влиянием оптимистических прогнозов и докладов многих ученых и конструкторов.
Директор ЦКБ «Луч» И. В. Птицын был энергичным и, как принято
говорить, «пробивным» администратором и хозяйственником. Он
смог (конечно, при большой поддержке «сверху») быстро развернуть
на окраине Москвы строительство комплекса зданий для вновь создаваемого предприятия и решить многие другие вопросы его организационного и хозяйственного становления. К сожалению, И. В. Птицын,
часто не проявляя чувства такта, с трудом находил общий язык с учеными и конструкторами, что через несколько лет и стало причиной его
вынужденного ухода с поста директора, когда задачи первоначального
277

материального становления фирмы были им успешно решены. Заместителями М. Г. Васина стали возглавившие основные подразделения
(и направления работ) В. Ф. Морсков (система наведения лазерного
луча комплекса «Терра-3»), Н. Д. Устинов (лазерная локация, включая
локатор ЛЭ-1), В. К. Орлов (мощные лазеры). Теоретический отдел
ЦКБ возглавил крупный специалист по теории обработки сигналов (в
том числе, лазерных) П. А. Бакут.
Основные сооружения НЭК на Балашихинском полигоне выполнялись из монолитного железобетона и особо прочных конструкций,
чтобы выдерживать воздействие ударной волны и, возможно, осколков, возникающих при одновременном взрыве многих фотодиссоционных лазеров. Предусматривалось, что общая масса взрывчатого вещества в лазерах может достигать 30 т. Здание системы наведения
было удалено от площадки для взрывных лазеров и бункера ВКРлазера на расстояние около 1 км для того, чтобы взрывная волна достигала здания, в котором находилась точная оптика системы наведения, уже после того, как импульс излучения уйдет к цели, также чтобы
защитить систему наведения от фрагментов лазера. Излучение от
ВКР-лазера к системе наведения предполагалось передавать по подземному каналу, соединявшему здания. В начале 70-х гг. военные
строители начали возведение всех зданий и сооружений НЭК. Строительство шло, к счастью для разработчиков, достаточно медленно, что
позволяло неоднократно вносить изменения в схему НЭК по мере более глубокого понимания характера проблем, выявлявшихся в ходе
экспериментов.
В ЦКБ «Луч» под руководством В. К. Орлова, Е. М. Земскова и
В. М. Казанского при участии физиков из ФИАН (В. С. Зуева и др.) и
во ВНИИЭФ под руководством С. Б. Кормера, Г. А. Кириллова (лазеры со взрывной накачкой) и А. И. Павловского (лазеры с электроразрядной накачкой) при научном руководстве ФИАН продолжались
экспериментально-конструкторские работы по мощным фотодиссоционным лазерам. После того как во ВНИИЭФ командой С. Б. Кормера и
Г. А. Кириллова были успешно испытаны экспериментальные взрывные лазеры с энергией до 1 МДж, предстояло создать промышленные
образцы лазеров, конструкции которых соответствовали бы условиям
серийного заводского производства. Прототипы таких лазеров разрабатывались как в ЦКБ «Луч» (лазер ФО-21 и др.), так и во ВНИИЭФ
(лазер Ф-1200). В дальнейшем лазер ФО-21 был модернизирован, его
конструкцию удалось изменить, предельно упростить и удешевить
почти в 10 раз. Острословы дали ему название «бедняк». Крупногабаритная оптика диаметром 1,2 м для фотодиссоционного лазера изготовлялась на ЛОМО. Этот диаметр был выбран в соответствии со
278

стандартным размером труб, выпускавшихся металлургической промышленностью для газопроводов. Были разработаны и выпускались
серийно модульные фотодиссоционные лазеры типа ФО-32 с меньшей
энергией (несколько десятков килоджоулей в импульсе), широко применявшиеся в экспериментах.
Продолжавшиеся во ВНИИЭФ под руководством А. И. Павловского работы по исследованиям электроразрядных фотодиссоционных
лазеров привели к созданию в 1974 г. экспериментального стендового
лазера с энергией излучения в импульсе около 90 кДж. Лазер размещался в прочном железобетонном каземате, рядом с которым устанавливались взрывомагнитный генератор (ВМГ). Для передачи энергии
от ВМГ в каземат использовалось большое число специальных высоковольтных кабелей, позволявших подводить к лазеру ток в сотни тысяч ампер. Исследований и разработок потребовала проблема сильных
магнитных полей, возникающих при мощном электрическом разряде в
объеме лазера. Эти поля могли нарушить его работу из-за эффекта
магнитного расщепления и сдвига линий активных частиц иода. Совместными исследованиями ВНИИЭФ и ГОИ были найдены методы
борьбы с этими нежелательными эффектами. Только через много лет,
в начале 80-х гг., в Лос-Аламосской лаборатории (США) были созданы образцы йодных фотодиссоционных лазеров с накачкой от
ВМГ. Энергия этих лазеров, как сообщалось, не превышала несколько
килоджоулей в импульсе.
В середине 60-х гг., когда лазеры уже вовсю «стреляли» в лабораториях физиков, казалось, что их дальнейший путь в военную технику прост и очевиден: конструкторам надо лишь инженерно «оформить» исследовательские образцы лазеров, и можно отдавать их военным. Но жизнь быстро опровергла эти «голубые» мечты. Превращение
настольных академических лазеров в мощные полевые конструкции
потребовало сложного и длительного этапа работ по их масштабированию до требуемых значений выходной энергии, улучшению практически всех их характеристик, отработке надежных, по возможности
простых в эксплуатации технических решений, изысканию способов
их сборки и технического обслуживания в условиях полигона. Эти
работы требовали значительного количества полигонных экспериментов для отработки деталей конструкции и изучения распространения
мощного луча на реальной трассе. Существовавшие испытательные
площадки не справлялись с объемом работ, и стало ясно, что надо создавать специализированную стендово-отработочную и испытательную базу для мощных лазеров, какими располагают все другие отрасли оборонной техники: авиация и космонавтика, артиллерия, ракетная
техника и т. п.
279

Недостаточная испытательно-полигонная база ЦКБ «Луч» тормозила развитие работ не только по фотодиссоционным лазерам, но и
по другим высокоэнергетическим лазерам, появившимся в начале
70-х гг.: СО2- и СО-лазерам, химическим и твердотельным лазерам.
Создавать и испытывать мощные лазеры в московских лабораториях
было практически невозможно. Это вскоре осознал и Н. Г. Басов. Поэтому при его поддержке были начаты поиски места, где можно было
бы расположить лазерный полигон. Требовалось найти участок площадью в несколько десятков квадратных километров где-нибудь в
центральной части страны, достаточно изолированный, но находящийся вблизи хороших дорожных коммуникаций и энергетических
сетей. После многомесячных поисков и осмотров ряда мест обратили
внимание на заброшенное военными танковое стрельбище в 20 км
юго-западнее Владимира. Лесисто-болотистая местность, окаймленная
торфяниками, была практически не освоена, не имела ни населенных
пунктов, ни дорог (кроме лесных), ни энергетических сетей. Однако
территория находилась вблизи трассы Москва – Горький, неподалеку
проходили мощные электрические линии и железнодорожная ветка (к
старым торфоразработкам), до Москвы было всего 180 км. Министерство обороны СССР охотно согласилось предоставить неиспользуемое
учебное поле для развития лазерных работ, и уже в начале 1971 г. вышло распоряжение правительства СССР о создании Междуведомственного научно-исследовательского испытательного центра и начались изыскания на месте будущего строительства.
Центр получил также открытое название ОКБ «Радуга». Его
начальником был назначен генерал-майор И. С. Косьминов, ранее
принимавший участие в создании ракетной техники и крупнейших
ракетных полигонов страны. История развития ОКБ «Радуга» заслуживает отдельного рассказа. Скажем лишь, что усилиями советских
военных строителей удалось в сравнительно короткий срок создать в
глубине владимирских лесов, в условиях болот и бездорожья, крупный
испытательно-производственный (а начиная с 80-х гг. – и исследовательско-конструкторский) комплекс с изолированными испытательными площадками, оснащенными необходимыми сооружениями,
трассами, измерительной техникой, значительной энергетикой и всеми
видами инженерных сооружений. Более того, был построен опытный
завод по производству мощной лазерной техники. Около испытательного центра вырос современный городок Радужный (сейчас в нем около 20 тыс. жителей) со школами, детскими садами, медицинскими
учреждениями. Пожалуй, это единственный в мире город, появление
которого было обусловлено проблемами создания мощных лазеров,
необходимостью их испытаний и исследований. К середине 80-х гг. в
280

ОКБ «Радуга» работало несколько тысяч человек, из них около тысячи
испытателей и исследователей. На испытательной базе велись работы
по лазерам разных типов: твердотельным СО2- и СО-лазерам, лазерам
на парах металлов и др.
Несколько позже, в середине 70-х гг., в ОКБ «Радуга» были созданы экспериментальные лазерные локационные стенды, в том числе
с синтезированной апертурой, однако использовать эти локаторы в
программе «Терра-3» не успели. Н. Г. Басов неоднократно бывал на
лазерных стендах ОКБ «Радуга», где шло рассмотрение и обсуждение
результатов работ по мощным лазерам, также проводились заседания
НТС с участием всех ведущих лазерщиков страны, а иногда и президентов АН СССР А. П. Александрова и Г. И. Марчука. Периодически
результаты работ демонстрировались в ОКБ «Радуга» руководителям
правительства СССР, министрам и военачальникам.
По инициативе Н. Г. Басова, наряду с созданием НЭК фотодиссоционных лазеров и лазеров-сумматоров для этого комплекса, в
70-х гг. был осуществлен целый ряд программ исследований и разработок по другим видам мощной лазерной техники. Кратко остановимся на основных направлениях этих исследований, во многом носивших
пионерский характер, хотя в ряде случаев и воспроизводивших в расширенном по энергетике масштабе работы зарубежных и советских
лазерных лабораторий. Программы работ, особенно в начале 70-х гг.,
часто дополнялись и уточнялись при появлении новых научных идей в
СССР или за рубежом. Мы не сможем здесь остановиться на всех подробностях этих работ, результатам которых посвящены сотни статей
и научных докладов.
Работы по импульсным химическим лазерам (ИХЛ) были начаты
как альтернатива фотодиссоционным лазерам. Использование энергии
химических реакций в активной среде лазера могло, как надеялись
ученые, привести к значительному повышению эффективности его
работы (росту КПД) и соответствующему снижению требований к
источнику накачки (уменьшению количества взрывчатого вещества
или полному отказу от его применения в системах инициирования
химической реакции), а также к созданию лазера многоразового действия. В работе, наряду с исследователями из ФИАН (группа
А. Н. Ораевского), основное участие принимали коллективы ученых
ВНИИЭФ (С. Б. Кормер, подразделение М. В. Синицына), ИХФ (коллектив, руководимый В. Л. Тальрозе), ГИПХ (под руководством
В. С. Шпака) и некоторых других институтов. Изучался, в первую
очередь, химический лазер на основе реакции фтора и водорода (или
дейтерия), энергетические характеристики которого оказались наиболее высокими. Интерес к этому лазеру вызывался и надеждой на осу281

ществление в нем цепной химической реакции и резким снижением
требований к устройству, инициирующему поджиг химической реакции. Группа ШНИИЭФ совместно с учеными ГИПХ работала ИХЛ с
инициированием химической реакции от так называемой взрывной
лампы, т. е. источника излучения на основе ударной волны относительно маломощного взрыва, в надежде на создание в дальнейшем
конструкции лазера, не разрушающейся при таком взрыве. Исследования и опыты привели к созданию нескольких моделей взрывных ИХЛ
(одноразовых) с энергией в импульсе десятков килоджоулей. Однако
количество взрывчатого вещества, требовавшегося для инициирования химической реакции, все же оставалось значительным, и лазеры
разрушались в ходе экспериментов. В ИХФ проводились как фундаментальные исследования химико-физических процессов в ИХЛ, так и
эксперименты с моделями химических лазеров полного масштаба в
которых в основном, применялись невзрывные источники инициирования химической реакции. В филиале ИХФ в Черноголовке (под
Москвой) созданы первая модель лазера с объемом камеры 1 тыс. л и
несколько позже, после строительства специального стенда, модель с
камерой объемом несколько кубических метров. Однако в этих лазерах использовался недостаточно мощный источник инициирования
химической реакции (импульсные лампы-вспышки) и их характеристики оказались невысокими. Работы по ИХЛ дали много результатов
физического характера, но не привели к созданию лазеров, конкурировавших с фотодиссоционными лазерами по энергетике излучения.
В начале 70-х гг., после появления первых сообщений в СССР и
за рубежом о работах по СО2-лазерам с использованием электронных
пучков для организации устойчивого электрического разряда лазера
при высоком (атмосферном) давлении активной среды, в СССР были
начаты работы по высокоэнергетическим лазерам этого типа, получившим в программе «Терра-3» название электроионизационных, хотя
этот термин использовался не всеми. Вновь на вооружение была взята
идея увеличения энергии в тысячи раз по сравнению с достигнутой в
то время. Выбор схемы лазера на ранней стадии был непростым. Применялась идеология лазера с замкнутым контуром, в котором рабочее
вещество (смесь газов) с помощью мощного вентилятора прокачивалось через оптический резонатор с электрическим разрядом, где шла
генерация излучения. Далее нагревшийся газ поступал в охлаждающее
устройство, после чего вновь использовался для работы. Газодинамическая схема такого лазера была сходна с аэродинамическими трубами, давно и широко применявшимися как инструмент для газодинамических авиационно-космических разработок и исследований. Был
создан ряд модельных систем с меньшей, чем у лазера ЗД-01, энерге282

тикой, что позволило провести инженерно-физические исследования и
проверить как некоторые технические решения, так и достижимые
параметры электроионизационных лазеров. Лазер ЗД-01 отрабатывался и совершенствовался до конца 70-х гг., и на нем была получена
средняя мощность излучения несколько сотен киловатт. В 1976 г. лазер ЗД-01 начал действовать. Потребовалось время, чтобы его сложные системы, включая специально разработанные мощные электронные пушки для организации разряда в мощной струе смеси СО2 и других газов, вышли на характеристики, близкие к расчетным. Однако
угловая расходимость излучения этого лазера, как и в случае с фотодиссоционным лазером, оказалась вначале неудовлетворительной. В
дальнейшем лазер ЗД-01 (уже вне рамок проекта «Терра-3») был заменен другим, более совершенным электроионизационным лазером, разработанным под руководством Н. В. Чебуркина. Потребовалось несколько лет работы, прежде чем были найдены способы получения
требуемой расходимости и внесены необходимые изменения в схему и
конструкцию лазера.
В 1975 г. на Балхашском полигоне продолжалось строительство
здания для системы наведения НЭК «Терра-3» и начался монтаж оборудования. В целом темпы строительства на полигоне были невысокими, и, как правило, его реальный ход на несколько лет отставал от
директивных графиков. К тому времени в руководстве ЦКБ «Луч»
произошли изменения. Главным конструктором ЦКБ и НЭК «Терра-3»
был назначен Н. Д. Устинов, директором предприятия стал спокойный, рассудительный прагматик и опытный инженер Б. Е. Львов. Изменилось не только руководство, но и название фирмы: она была переименована в ЦКБ «Астрофизика».
Строительство НЭК на полигоне не могло не привлечь внимания
США, которые с помощью своей национальной системы спутникового
контроля, очевидно, следили за состоянием дел на Балхашском полигоне. В конце 70-х гг. в американской печати появилась информация о
том, что русские строят на полигоне Сары-Шаган на берегу оз. Балхаш
лазерную установку для ПРО. Надо сказать, что впоследствии американскими военными и гражданскими энтузиастами СОИ эта правдивая
в своей основе информация преувеличивалась и обыгрывалась весьма
энергично. Ярким примером этого может служить, например, изданная в 1983 г. в США книга «Лучевая оборона – альтернатива ядерному
разрушению» [61], где утверждалось, что русскими «...недавно был
испытан усовершенствованный йодный лазер, с помощью которого
сбита баллистическая ракета, что продемонстрировало использование
лазера в качестве стратегического оружия. Разведывательные источники США сообщают, что вблизи советских испытательных площадок
283

разбросаны сбитые головные части, свидетельствующие о том, что
русские успешно сбивают баллистические ракеты-мишени». Рисунок
зданий НЭК «Терра-3», выполненный на основе данных космической
фоторазведки, приводился в изданиях Министерства обороны и госдепартамента США и в ряде других аналогичных публикаций. Сведения
о советских «успехах» в области лазерного ПРО были, мягко выражаясь, несколько преувеличенными. А разбросанные вокруг зданий НЭК
«Терра-3» обломки вышедшей из строя строительной техники на самом деле свидетельствовали больше о стиле работы строителей, а не
об успехах лазерщиков.
Много позже, в 1989 г., когда наступил период разрядки, на Балхашском полигоне с личного разрешения М. С. Горбачева побывала
большая группа американских политиков, специалистов и журналистов, которым были показаны некоторые «остатки» НЭК «Терра-3»,
включая систему наведения лазерного луча и недостроенное здание, в
котором по проекту должны были размещаться электроразрядные фотодиссоционные лазеры.
После десяти лет работы становилось ясно (в том числе и руководству), что лазерное оружие для поражения головной части баллистической ракеты на конечном участке ее траектории пока создать не
удается. Предполагаю, что ведущие ученые, включая Н. Г. Басова,
возглавлявшего научную часть проекта, пришли к этому выводу еще
раньше. Было понятно, что энергетика лазеров и технические решения, использованные в НЭК «Терра-3», заведомо не могут обеспечить
доставки к цели лазерной энергии, необходимой для поражения головной части баллистической ракеты. Стали очевидными и трудности,
возникающие при прохождении столь мощного излучения через атмосферу. Немалые проблемы выявились в ходе разработки и изготовления системы наведения луча, к которой, как и ко многим другим частям комплекса «Терра-3», предъявлялись крайне высокие требования
по динамике и точности наведения луча, по лучевой прочности оптики
и по ряду других характеристик.
Ко второй половине 70-х гг. в руках создателей комплекса не
было лазерного луча такой мощности, которая требовалась для поражения головной части баллистической ракеты. Более того, не были
ясны и пути достижения требуемой энергетики. Разработчики из ЦКБ
«Астрофизика» оказались в техническом тупике: параметры спроектированного и сооружаемого комплекса не позволяли надеяться на
поражение головных частей баллистических ракет. Параллельно выполняемые по инициативе Н. Г. Басова исследования в области лазеров других типов, хотя и привели к значительному улучшению энергетических характеристик этих лазеров, однако, как и в случае взрыв284

ных фотодиссоционных лазеров, не дали результатов, которые позволяли бы ожидать, что головную часть баллистической ракеты можно
поразить лазерным излучением в близкой перспективе и при разумных
затратах. Заметим, что американцы в начале 80-х гг., получив разведывательную информацию о работах СССР по взрывным фотодиссоционным лазерам, также создали такие лазеры с энергией в диапазоне
килоджоулей в Лос-Аламосской лаборатории и стали изучать воздействие их излучения на материалы и объекты.
Начатые на полигоне во второй половине 70-х гг. испытания системы наведения луча были еще далеки от завершения и сталкивались
с большими трудностями, как техническими, так и организационными.
При этих испытаниях вместо мощного лазера использовался имитатор – относительно маломощный лазер на стекле с неодимом. В целом
работы шли крайне медленно и не дошли до этапа стрельб по реальным головным частям баллистических ракет (вопреки сообщениям
американской печати). К 1977 г. программа «Терра-3», формально
существуя, лишилась внутренней динамики и напора, которые были
характерны для нее вначале. Появлявшиеся у ученых ФИАН,
ВНИИЭФ, ГОИ и других институтов новые идеи в области лазерной
физики и техники часто были оригинальными и двигали вперед науку,
но не решали все же проблем «Терры-3».
В целом в ходе научно-исследовательских программ по лазерам,
выполнявшихся под руководством Н. Г. Басова не только в рамках
проекта «Терра-3», были достигнуты значительные успехи. Были созданы лазеры различных типов с выдающимися энергетическими характеристиками. В ФИАН было исследовано новое явление в области
нелинейной оптики лазеров – обращение волнового фронта излучения.
Это крупное открытие позволило в дальнейшем совершенно поновому и весьма успешно подойти к решению ряда проблем физики и
техники мощных лазеров, прежде всего проблем формирования предельно узкого пучка и его сверхточного наведения на цель. Впервые
именно в программе «Терра-3» специалистами ВНИИЭФ и ФИАН
было предложено использовать обращение волнового фронта для доставки энергии на мишень.
Итак, программа «Терра-3» находилась в кризисе, хотя продолжала существовать и финансироваться, под нее было создано специальное предприятие, развивалась производственная база, на нее работали десятки предприятий. Весь этот «маховик» продолжал крутиться
и не мог быть разом остановлен. Признать прямо нерешаемость на
существовавшем уровне техники поставленной задачи ни ученые, ни
конструкторы, ни военные заказчики долго не хотели. Но работы велись уже более 10 лет, а создание лазерной системы ПРО, казалось,
285

отодвигалось все дальше и дальше. Ощущение тупиковости работы (в
смысле создания оружия для ПРО) постепенно проникало не только в
умы разработчиков, но и становилось понятным «начальству». Кроме
того, за эти годы в стране был достигнут значительный прогресс в создании ракетных систем ПРО, начинала действовать первая система ПРО
Москвы, и актуальность лазерной системы существенно уменьшилась.
Программа «Терра-3» привела к значительному прогрессу в области физики и техники высокоэнергетических лазеров в СССР, дала
толчок к созданию принципиально новых технологий, в частности в
нелинейной оптике. Эта программа позволила вывести физику и технику мощных лазеров (в первую очередь импульсных и частотноимпульсных) на уровень, превосходивший в то время достижения других стран. В результате теоретических и экспериментальных работ,
проведенных в рамках лазерной программы, возглавлявшейся
Н. Г. Басовым, удалось прийти к глубокому пониманию физики процессов в высокоэнергетических лазерах и решить серьезные технические и конструкторские проблемы. До настоящего времени эти достижения в значительной степени остаются фундаментом для развития
техники мощных лазеров в России. Были получены результаты мирового уровня также в ряде смежных направлений (распространение
лазерных пучков в атмосфере, импульсные источники света, взаимодействие излучения с веществом, химия и технология создания активных сред и компонентов лазеров). Многие научные и технические достижения были использованы в последующих работах, включая работы по инерциальному термоядерному синтезу, продолжающиеся до
сих пор. Именно Н. Г. Басов, О. Н. Крохин и их ближайшие сотрудники были пионерами и инициаторами работ по управляемому термоядерному синтезу на основе использования для сжатия дейтерийтритиевой мишени импульсного излучения высокоэнергетических
лазеров. Но эта тема уже обсуждалась.
Ко второй половине 70-х гг. руководство военно-промышленного комплекса, и в первую очередь министр оборонной промышленности С. А. Зверев, систематически знакомясь с очередными докладами ученых о ходе работ, осознало, что задача лазерного ПРО пока не
решена. В связи с этим решение о фактическом прекращении программы разрабатывалось и принималось «кабинетным» путем. В Министерстве оборонной промышленности и в ВПК в начале 1978 г. было подготовлено постановление правительства, которое должно было
«перевести стрелки» работы с нерешенной проблемы на иную насущную задачу обороны страны. Предусматривалось использование для
новой задачи основной части технических достижений в области
мощных лазеров, полученных в ходе работ по программе «Терра-3»
286

под общим руководством Н. Г. Басова (а они, безусловно, были весьма
солидными). Реализации решения способствовало то обстоятельство,
что еще в начале 70-х гг. в ЦКБ «Луч» были начаты работы по другим
направлениям оборонных и гражданских применений лазеров. Некоторые из них развивались успешно. После серии совещаний и обсуждений состояния работ у министра оборонной промышленности
С. А. Зверева было принято решение о прекращении работ по программе «Терра-3», и в 1978 г. с согласия Министерства обороны СССР
программа была закрыта.
Итогом программы был колоссальный подъем как научного, так
и технического уровня исследований и разработок высокоэнергетических лазеров в СССР. Достигнутые в конце 60-х – середине 70-х гг.
энергетические характеристики не превзойдены до сих пор. В стране
была создана необходимая для обеспечения масштабных лазерных
программ передовая конструкторско-техническая, полигонно-испытательная и производственная база. Были сформированы новые коллективы ученых и инженеров, успешно работающие и в наши дни,
расширились лазерные лаборатории в ведущих научных центрах страны в Москве, Ленинграде, Сарове, Новосибирске и во многих других
местах. Эти коллективы, наряду с разработками оборонного характера,
успешно выполняли и другие программы, инициированные идеями
Н. Г. Басова, например создание мощных лазеров для осуществления
термоядерного синтеза с инерциальным удержанием плазмы, чему
Н. Г. Басов уделял особое внимание. В ходе изысканий впервые к высокоэнергетическим лазерам были применены идеи нелинейной оптики, в
частности обращение волнового фронта. Основной движущей силой этих
программ в течение долгих лет были интеллектуальная мощь, неиссякаемая энергия и предвидения Николая Геннадьевича Басова.
Лазерная программа США включала в себя в разные годы ряд
подпрограмм. В частности, программу «Лазер воздушного базирования» (Airborne Laser – ABL). Лазер с мегаваттным лучом, поднимаемый в воздух на крыльях Boeing-747, способен уничтожать межконтинентальные ракеты на стадии взлета с приличной дистанции. Сегодня
почти все ингредиенты этого экзотического оружия уже выполнены «в
металле». Впереди – ряд испытаний. Основные участники программы
ABL: Boeing (главный подрядчик, отвечающий за координацию работ,
поставку самолетов-носителей этого оружия, а также интеграцию всех
систем), Northrop Grumman (создатель уникальных лазеров, в том числе – основного), Lockheed Martin (комплекс наведения), американские
ВВС (USAF) и Агентство по противоракетной обороне (MDA). Бюджет программы ABL в 2006 г. составил 471,6 млн долл. Натурные испытания системы начались в 2008 г. В ходе этих испытаний химиче287

ский лазер производил пробные стрельбы по ракетам-мишеням. По
плану, готовый комплекс ABL должен был в полете сбить реальную
баллистическую ракету.
По замыслу разработчиков, группа самолетов Boeing-747-400 с
мощнейшими лазерами на борту, в процессе дежурства в радиусе нескольких сотен километров от расположения ракетных установок,
должна выполнять «восьмерки» выше облаков. На достаточном удалении от границ потенциального противника, чтобы не слишком опасаться его ПВО, но в то же время достаточно близко, чтобы иметь
возможность сбить взлетающие межконтинентальные ракеты еще на
стадии разгона.
Точные параметры лазера Northrop Grumman не сообщает, но в
пресс-релизе о его наземном испытании в ноябре 2004 г. говорится,
что лазер для системы ABL относится к мегаваттному классу. Боевой
лазер является связкой из шести одинаковых лазерных модулей, расположенных в форме V6, словно шестицилиндровый двигатель какого-нибудь гигантского грузовика. Только «на вал» тут выводится не
вращение, а луч. Боевой лазер – инфракрасный химический, кислородно-иодный (Chemical Oxygen Iodine Laser – COIL). Для его работы
на борту лайнера имеется целая батарея баков с химическими реагентами, которые в момент залпа прогоняют через систему мощные турбонасосы. COIL монтируется в задней части фюзеляжа Boeing-747.
Оттуда его луч проходит вперед к носу лайнера через сложную оптическую систему. Каждый самолет, оснащенный таким лазером, должен будет нести около 450 кг хлора, столько же аммиака, примерно
5,4 т перекиси водорода и более 800 л серной кислоты.
Самолет с системой ABL определяет старт баллистических ракет
по раскаленному выхлопу их двигателя при помощи россыпи инфракрасных датчиков. На вершине фюзеляжа имеется довольно мощный
углекислотный или твердотельный лазер, с помощью которого машина определяет расстояние до цели. Приемник этой системы также помогает другим датчикам в определении ее координат. Далее в действие вступает поворотная шаровая башня на носу лайнера, где раскрывается окно с 1,5-метровой (в диаметре) оптической системой. Через эту систему в сторону цели будет направлен боевой лазер, но сначала, через нее же, на цель направляют еще два вспомогательных лазера (сами они спрятаны в середине самолета) умеренной мощности. Отражения этих двух разных лазеров от цели (так же, как и ее
изображение) поступают в многочисленные датчики системы. Электроника удерживает прицел на ракете, а также по возвратившимся сигналам
определяет параметры атмосферы, чтобы скорректировать оптику, управляющую боевым лучом, фокусирующемся в пятно размером с баскет288

больный мяч на расстояниях во многие сотни (до 300) километров до цели. Управление лазером и оптикой осуществляется с помощью компьютерной системы, обеспечивающей отслеживание, идентификацию потенциальных целей и определение приоритетных целей для поражения.
В новом сообщении создатели COIL пишут, что в последних на
данный момент наземных тестах он достиг уровня мощности и продолжительности работы, которые достаточны для разрушения поднимающейся межконтинентальной ракеты. Любопытно, что лазер для
тестов смонтировали не просто в здании, а в списанном фюзеляже от
Boeing-747-200, чтобы все системы COIL взаимодействовали и размещались именно так, как они будут работать в воздухе – на борту модифицированных 747-х, которые станут носителями нового оружия.
В начале этого года Northrop Grumman построила и твердотельный лазер системы наведения, названный маяком (Beacon Illuminator
Laser – BILL). BILL, один из двух вспомогательных лазеров, спрятанных внутри лайнера, он высвечивает пятно на цели. Именно по этому
пятну компьютерная система определяет искажения, вызванные атмосферными помехами (как уже сказано, оптическая система ABL является не только излучателем, но и приемником с 1,5-метровым зеркалом, фактически – приличным телескопом). Вычисленные искажения
компенсируются деформируемым (адаптивным) зеркалом в составе
оптической системы, выстреливающий в цель боевой луч. Система
наведения оружия также включает еще один твердотельный лазер –
Tracking Illuminator (TILL), который отвечает за сопровождение цели в
процессе стрельбы. И он также отправляется на цель через главную
оптическую систему.
Испытания всего комплекса наведения: управляемой оптики,
BILL и TILL на борту первого самолета, оборудованного этим оружием (за исключением самого боевого лазера), – это главная задача всей
программы ABL на 2006 г. В ходе этих испытаний лазеры были нацелены на военный самолет NC-135 с нарисованной баллистической ракетой
на борту. Хотя речь идет лишь о пробе лазеров наведения, которые не
сравнятся по мощности с «главным калибром» комплекса, разработана
защита для самолета-мишени, а его пилоты наденут темные очки.
Другой военной лазерной программой США является проект
ВВС ARMS (Aerospace Relay Mirror System – воздушно-космическая
зеркальная система защиты).
Вообще лазерное оружие как таковое уже состоит на вооружении
американской армии. Правда, речь идет о так называемых лазерных
ружьях нелетального действия. Такие лазер-ганы (ружья) в зависимости от мощности способны ослепить, например, механика-водителя
вражеской бронетехники, снайпера, пилота низколетящего штурмово289

го вертолета или вывести из строя чувствительные элементы электронно-оптических систем противника. Подобными «пушками» американское командование решило вооружить своих военных в Ираке с
целью временно ослеплять водителей, игнорирующих предупреждения на пропускных пунктах. По их мнению, это должно снизить количество потерь среди местных жителей, которые не обращали внимания
на предупреждающие сигналы и попадали под огонь американских
солдат. На карабинах M-4, используемых американской армией в Ираке, помещено трубообразное устройство длиной 27 мм, способное выдавать луч лазера. Как говорят военные, это должно временно ослеплять водителей и не приводит к окончательной потере зрения.
Впервые о работах по созданию стратегической лазерной системы Министерство обороны США официально заявило 8 мая 2003 г.
Специалисты компании Boeing и ВВС США разработали и опробовали принципиально новые лазерные боевые системы, которые могут
мгновенно поразить цель в любой точке планеты и околоземного пространства. Система ARMS включает сверхмощные стационарные лазеры наземного или морского базирования и систему зеркал, которая
располагается на дирижаблях и беспилотных самолетах, а в перспективе
и на космических спутниках. Работа над проектом заняла четыре года и
стоила 20 млн долларов США. Проведенные испытания на базе ВВС
США Киртленд в штате Нью-Мексико подтвердили боеспособность новой системы. Официальная цель проекта – создание системы противоракетной обороны. Но, кроме того, система зеркал позволяет направлять
лучи сверхмощных лазеров практически в любую точку Земли. Новое
оружие преодолевает любое неблагоприятное воздействие атмосферы.
В течение нескольких недель на базе в Киртленде (Kirtland AFB,
NM) проводилось тестирование прототипа нового оружия по проекту
ARMS (Aerospace Relay Mirror System – воздушно-космическая релейная зеркальная система). Специалисты из ВВС США и компании
Boeing применили лазер мощностью 1 кВт и отражающую систему,
расположенную на расстоянии 3 км. Лазерный луч был успешно перенаправлен и попал в цель. Система состояла из двух зеркал шириной
75 см, находящихся близко друг к другу. Они были подвешены на высоте 30 м с помощью крана.
В будущем американские специалисты намерены разместить отражающую систему на больших высотах с помощью различных платформ: высотных дирижаблей, беспилотных высотных самолетов или
спутников. Это позволит наносить удар по любым целям на земле и в
воздухе практически мгновенно. Принимающее зеркало будет собирать свет и затем перенаправлять его через специальную фокусирующую систему, которая определяет помехи, возникшие в атмосфере, и
290

корректирует сигнал. После корректировки второе зеркало посылает
луч на заданную цель. Лазерная установка при этом должна иметь
мощность 100–1000 кВт.
Эти испытания – важнейший этап в создании технологии переизлучающих (релейных) лазеров – показали, что отражающие зеркала
вполне способны сконцентрировать энергию наземной лазерной установки в нужной точке, увеличивая тем самым дальность действия лазера, заявил Пат Шанахан, вице-президент и генеральный директор
Boeing Missile Defense Systems (подразделение компании, ведущее
исследования в рамках ПРО). Судя по заявлениям, цель работ – создание системы противоракетной обороны. Однако уже очевидно, что
одной лишь этой задачей дело не ограничится. Такое зеркало может
быть размещено и в космосе. Тогда сценарий, обыгранный во многих
фантастических боевиках (например, «Золотой глаз» из знаменитой
бондианы), вполне может стать реальностью. Хотя для этого потребуются астрономические суммы, лазер гигантской мощности и долгие
годы исследований, а страна, первой получившая такое оружие, сможет молниеносно вмешиваться в процессы в любой точке на Земле и в
космосе. Система космических зеркал способна перенаправить лазерный импульс в любую точку на планете или в космическом пространстве. С ее помощью можно поражать стационарные объекты на поверхности Земли, движущиеся в воздушном и космическом пространстве цели, минимизировав при этом побочные факторы.
Идея создания так называемого тактического высокоэнергетического лазера (THEL, другое название «Наутилус»), способного уничтожать любые летящие цели, показалась тогда весьма заманчивой. Начиная
с 1996 г. США и Израиль вложили в проект «Наутилус» 400 млн долл.
Был создан действующий прототип лазерного орудия, но он оказался
слишком громоздким, и продолжение работ было заморожено.
Лазерные блоки, расположенные на северной границе Израиля,
должны были противостоять ракетным атакам «Хезболлаха». Кончилась затея буквально ничем. Лазерные системы, испытанные в 2000 и
2002 гг., оказались в состоянии перехватывать ракеты и артиллерийские снаряды. Однако военные признали, что во время тестов одновременно запускалось не более двух ракет. При этом некоторые установки, применяемые боевиками, способны выпускать до 40 ракет одним залпом. Еще одна проблема при защите от воздушных налетов:
чтобы производить достаточное количество необходимой энергии,
лазер должен снабжаться высокотоксичными химикалиями. При этом
он способен без перезарядки всего на пару выстрелов по 3 тыс. долл.
каждый. Кроме того, лазерный передвижной блок размером в 6
огромных туристических автобусов представляет собой слишком лакомую цель для противника.
291

Глава 6

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в
котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы.
В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции
управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в
электрических цепях.
Оптоэлектронными приборами называют устройства, излучающие и
преобразующие излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра или использующие для своей работы электромагнитные излучения, частоты которых находятся в этих областях.
Первые приборы оптоэлектроники – фотоэлементы и фотоэлектронные умножители – были основаны на законах фотоэффекта и существенно отличаются от других приборов вакуумной электроники.

6.1. Фотокатод
Фотокатоды характеризуются отношением числа фотоэлектронов к числу фотонов, вызвавших эмиссию. Этот параметр получил
название квантового выхода электронов. Если бы каждый фотон вызывал выход одного электрона, то квантовый выход равнялся бы единице. Но большая часть фотонов не участвует в создании фототока: часть
фотонов имеет длину волны больше λ0, часть проникает глубоко в катод и
рассеивает там свою энергию, наконец, часть фотонов отражается от поверхности катода. Обычно квантовый выход не превышает 2 %.
Работа выхода W0 и граничная длина волны λ0 для некоторых
элементов приведены ниже:
Се К
Sb Ge Si
W0, эВ 1,9 2,3 4,0 4,4 4,8
λ0, мкм 0,66 0,55 0,31 0,28 0,21

Спектру видимого излучения соответствуют длины волн 0,38–
0,78 мкм, и, как видно из приведенных данных, часть лучей может
вызвать фотоэлектронную эмиссию лишь из цезия и калия. Поэтому
фотокатоды обычно делают не из чистого металла. Так, например,
292

широко применяемый оксидноцезиевый фотокатод, состоящий из серебра, оксида цезия и чистого цезия, имеет уменьшенную работу выхода, и для него λ0 = 1,1 мкм.

Рис. 6.1. Спектральные характеристики фотокатода

Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость S = f(λ) называется спектральной характеристикой и может быть двух видов (рис. 6.1). Кривая 1 соответствует
нормальному фотоэффекту, который наблюдается у толстых катодов
из чистых металлов, а кривая 2 получается при селективном (избирательном) фотоэффекте, который характерен для тонких катодов из
особо обработанных щелочных металлов. Следует отметить, что чувствительность с течением времени постепенно уменьшается, т. е.
наблюдается явление «усталости», или «утомления», фотокатода.

6.2. Электровакуумный фотоэлемент
Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент
представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность
стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества,
эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится
инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.
Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента Iф = f(uа) при Ф = const, изображенные на рис. 6.2, а,
показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 6.2, б) такие характеристики сначала идут почти так
же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении
анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно воз293

растает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12. Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость
Iф = f(Ф) при Ua = const, показаны на рис. 6.3. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от
частоты модуляции светового потока. Из рис. 6.4 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность
их снижается уже на частотах в единицы килогерц.

Рис. 6.2. Анодные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента

Рис. 6.3. Энергетические характеристики электронного (1)
и ионного (2) фотоэлемента

Рис. 6.4. Частотные характеристики электронного (1)
и ионного (2) фотоэлемента

294

Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным
резистором RH (рис. 6.5). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет
единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор RH. Чем больше
сопротивление RH и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее
действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе RH.

Рис. 6.5. Схема включения фотоэлемента

Основные электрические параметры фотоэлементов – чувствительность, максимально допустимое анодное напряжение и темновой
ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов – сотен мкА на люмен. Темновой ток
представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется
термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать
10–10 А, а токи утечки – 10–7 А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии
можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов.
Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах
для физических исследований. Но их недостатки – невозможность
микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) – привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.

295

6.3. Фотоэлектронный умножитель
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой
электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Впервые в мире ФЭУ были изобретены советским
инженером Л. А. Кубецким в 1930 г. В дальнейшем ряд удачных конструкций ФЭУ создали П. В. Тимофеев и С. А. Векшинский.

Рис. 6.6. Принцип устройства и работы ФЭУ

Принцип работы ФЭУ проиллюстрирован на рис. 6.6. Световой
поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д1, называемый динодом. Он является анодом по
отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторичноэлектронного эмиттера. Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток Iф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д1
вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных
электронов (σ – коэффициент вторичной эмиссии динода Д1 обычно
равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I1 = σIф. Ток I1 направляется на второй динод
Д2, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д2 за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I2, который в σ раз больше тока I1 (для упрощения будем считать, что у всех
динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е.
I2 = σI1 = σ2Iф. В свою очередь, ток I2 направляется на третий динод Д3,
у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода
течет ток электронов I 3 = σI2 = σ3Iф и т. д.
С последнего, n-го, динода Дn электронный ток In направляется
на анод А, и тогда ток анода Iа = In = σnIф. Таким образом, коэффициент усиления тока ki = σn. Например, если σ = 10 и п = 8, то ki = 108.
Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные
296

электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано,
разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов
применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка
магнитным полем требует громоздких магнитных систем.
Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и
анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых
анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает
не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть
10–3 лм и менее.
Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на
предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1–2 кВ),
что является недостатком ФЭУ. Обычно питание ФЭУ осуществляется
через делитель, на который подается полное анодное напряжение
(рис. 6.7). В цепь анода включается нагрузочный резистор RH, с которого снимается выходное напряжение.

Рис. 6.7. Схема включения ФЭУ

Для ФЭУ, как и для обычных фотоэлементов, характерен темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией фотокатода и
динодов. Он составляет малые доли микроампера. Этот ток может
быть уменьшен охлаждением прибора. Значением темнового тока
ограничивается минимальный световой поток, который можно регистрировать с помощью ФЭУ. А минимальные изменения светового потока ограничиваются флюктуациями эмиссии фотокатода и темнового тока.
Следует отметить, что эти флюктуации невелики, т. е. ФЭУ являются
малошумящими приборами. Коэффициент шума Fш у них обычно 1,5–2,0
(напомним, что у идеального «нешумящего» усилителя Fш = 1).
Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный
297

ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока;
напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В
качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика Iа=f(Ф), а также зависимости коэффициента усиления ki и интегральной чувствительности SΣ от напряжения питания Eа (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Зависимость коэффициента усиления тока
и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ

Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и
могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях
науки и техники – в астрономии, фототелеграфии и телевидении, для
измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В
полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ.

6.4. Электронно-оптический преобразователь
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) – это вакуумный фотоэлектронный прибор для преобразования невидимого глазом
изображения (в ближнем инфракрасном, ультрафиолетовом или рентгеновском спектре) в видимое либо для усиления яркости видимого
изображения.
Простейший ЭОП представляет собой короткую стеклянную
трубку. На одном ее торце напылен фотокатод из вещества с малой
работой выхода, т. е. легко ионизирующийся под действием света. На
другом торце напылен люминофор, т. е. вещество, светящееся под
ударами электронов. Специальная система электродов обеспечивает
ускорение (т. е. увеличение энергии) электронов на пути от фотокатода к
люминофору. Для нормальной работы на эти электроды подаются определенные напряжения, вырабатываемые источником питания ЭОП.
Кроме того, термином ЭОП часто называют устройство, содержащее:
298

 фотокатод, преобразующий слабые световые потоки в потоки
электронов;
 усилитель этих электронных потоков;
 бомбардируемый электронным потоком люминесцентный
экран, на котором воспроизводится усиленное изображение.
ЭОП широко используется в современных приборах ночного видения (ПНВ). В качестве усилителей электронных потоков в таких
ЭОП используется микроканальная пластина (МКП). Крупнейшие
производители ЭОП – Hamamatsu, «Проксивижн», ITT Exelis, L3,
Photonis, «Катод», «Экран-ФЭП», «Экран-Оптические системы»,
МЭЛЗ-ЭВП.
Высокая светочувствительность ЭОП позволяет получить различимое изображение даже при очень низких уровнях освещенности
(например, звездное небо). Чувствительность ЭОП в ближнем инфракрасном диапазоне позволяет подсвечивать сцену инфракрасными прожекторами, невидимыми для невооруженного глаза. Эти возможности
предопределили широкое применение ЭОП в приборах ночного видения.
Первый электронно-оптический преобразователь был разработан
Манфредом фон Арденне в 1934 г. Но после того как выяснилась возможность военного применения ЭОП, от дальнейших работ он был
отстранен (официальная причина – отсутствие у фон Арденне высшего образования) и все разработки были переданы фирме AEG. Активные ПНВ нулевого поколения разработаны в Германии во время Второй мировой войны. Применение союзниками по антигитлеровской
коалиции во всех возрастающих объемах авиации для борьбы с
немецкими танками (особенно после открытия второго фронта в Европе) свело возможность передвижения танковых частей днем практически к нулю. Остро встал вопрос об оснащении танков приборами
ночного видения, работа над которыми велась фирмой AEG с 1936 г.
Такие устройства требовали активной подсветки инфракрасными
прожекторами. Основной фотоэлемент – электронно-оптический преобразователь с фотокатодом, который позволял изображать обстановку, подсвеченную ИК-светом, в окуляре в видимом спектре. Недостатком являлись отсутствие защиты от яркого света (защиты от вспышки)
и демаскировка ИК-прожекторами.
Итогом этих разработок стали монтируемые на командирской
башенке «Пантеры« инфракрасные прожектора-осветители мощностью 200 Вт плюс приборы наблюдения, которые позволяли осматривать при движении местность с дистанции 200 м. При этом водитель
танка такого прибора не имел и управлял машиной, руководствуясь
указаниями командира. В ноябре 1944 г. панцерваффе получили 63
«Пантеры», оснащенные первыми в мире серийными активными при299

борами ночного видения Sperber FG 1250. Фирмой Zeiss-Jena разрабатывался еще более мощный прибор, позволявший «видеть» на расстоянии 4 км, однако из-за больших размеров осветителя – диаметр
600 мм – применения на «Пантерах» он не нашел.
Но чтобы вести ночью и огонь, требовался более мощный осветитель. Для этого на полугусеничном бронетранспортере Sd Kfz
250/20 был установлен инфракрасный прожектор Uhu («Сова») мощностью 6 кВт, обеспечивавший работу прибора ночного видения на
дистанции 700 м. Испытания его прошли удачно, и фирма LeitzWetzlar изготовила 800 комплектов оптики для ночных приборов.
Данная техника использовалась для ночных атак на советские позиции
во время наступления на Балатоне (март 1945).
В 1944 г. была выпущена опытная партия из 300 инфракрасных
прицелов Zielgerat 1229 (ZG.1229) «Vampir», которые устанавливались
на автоматы МР-44/1. Комплект состоял собственно из прицела весом
2,25 кг, батареи в деревянном корпусе (13,5 кг), питающей ИКпрожектор, и небольшой батареи питания прицела, помещенной в
противогазную сумку. Батареи подвешивались за спиной солдата на
разгрузке. Вес прицела вместе с аккумуляторами достигал 35 кг, дальность не превышала ста метров, время работы – двадцать минут. Тем не
менее немцы активно использовали эти приборы во время ночных боев.
Манфред фон Арденне вместе с собственной лабораторией был в
1945 г. вывезен из Берлина в СССР и до 1955 г. руководил работой
объекта А в Сухуми (в будущем одного из отделов Сухумского физико-технического института). Отсутствие у него высшего образования
руководителей и сотрудников отечественного атомного проекта совершенно не волновало. Будучи весьма разносторонним специалистом, Манфред фон Арденне занимался не только вопросами ядерной
физики, но также развитием электронной микроскопии (за разработку
растрового электронного микроскопа он мог бы получить Нобелевскую премию, но не дожил до этого) и электронно-оптическими преобразователями. С нашей стороны последним направлением руководил Валериан Иванович Красовский. Естественно, что эти работы были совершенно секретными и остаются таковыми по сию пору.
Для первого поколения ПНВ основу технологии составляли фотоумножители, поставленные между фотокатодом и окуляром, что
позволяло добиться многократного усиления видимого ИК-света с
переводом последнего в видимый диапазон.
В ПНВ второго поколения была применена микроканальная технология, что позволило избавиться от паразитной засветки. Яркая точка на изображении оставалась точкой и не засвечивала соседние каналы.
300

В ПНВ третьего поколения были применены фотокатоды на арсениде галлия, что позволило еще больше увеличить коэффициент
усиления света и уменьшить габариты приборов.
Существует несколько подходов к построению современных ПНВ:
 Усиление очень слабого видимого света. Идея реализуется в
электронно-оптических преобразователях (ЭОП) и, в некоторой степени, в современных видеокамерах для систем охраны с так называемым ночным режимом.
 Наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне. Как правило, это бесплатный бонус для ЭОП и охранных видеокамер. Однако в
ближнем ИК нет естественных источников, кроме солнца, поэтому в
полной темноте такие ПНВ ничего не увидят без подсветки. Для таких
ПНВ существуют специальные источники подсветки (инфракрасные
прожекторы, например, на базе инфракрасных светодиодов), невидимые невооруженным глазом.
 Наблюдение в среднем (тепловом) инфракрасном диапазоне.
В этом диапазоне излучают тела, нагретые до температур нашего мира: от –50° C и выше. Такие ПНВ называются тепловизорами. Они показывают картинку разницы температур и не требуют никакой подсветки.
 Возможно наблюдение в ультрафиолетовом спектре. Однако
отсутствие естественных источников ультрафиолета (кроме солнца) и
практическое отсутствие невидимых невооруженным глазом искусственных источников ультрафиолетовой подсветки сдерживает распространение ультрафиолетовых ПНВ.
Технически есть несколько популярных способов построения ПНВ:
 Современные полупроводниковые видеокамеры способны
дать изображение при освещенности сцены до 0,1 люкса. Специальные методы обработки сигнала позволяют работать при освещенности
до 0,001 люкса. Чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне
позволяет организовывать невидимую глазом подсветку сцены
(например, инфракрасными светодиодами). Во избежание ошибок
цветопередачи обычные бытовые видеокамеры снабжаются специальным фильтром, отсекающим ИК-изображение. Камеры для охранных
систем, как правило, не имеют такого фильтра. Однако в темноте нет
естественных источников ближнего ИК, поэтому без подсветки такие
камеры ничего не покажут.
 Электронно-оптические преобразователи – вакуумные фотоэлектронные приборы, усиливающие свет видимого спектра и ближнего ИК. Имеют высокую чувствительность и способен давать изображение при очень низкой освещенности. Являются исторически первыми приборами ночного видения, широко используются и в настоящее время в дешевых ПНВ. Поскольку в инфракрасном диапазоне
301

чувствительны только в ближнем ИК, то, как и полупроводниковые
видеокамеры, требуют наличия освещения (например, свет ночного
неба или инфракрасных прожекторов). Коэффициент усиления света
ЭОП – от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч раз.
 Тепловизор – тепловой видеосенсор, как правило, на основе
болометров. Болометры для систем технического зрения и приборов
ночного видения чувствительны в диапазоне длин волн 3...14 мкм
(средний инфракрасный диапазон), что соответствует излучению тел,
нагретых от 500 до −50° C. Таким образом, болометрические приборы
не требуют внешнего освещения, регистрируя собственное излучение
самих предметов и создавая картинку разности температур.
Наблюдательный ПНВ состоит из следующих основных частей:
 объектива;
 приемника излучения;
 усилителя;
 устройства отображения изображения.
Во многих современных ПНВ роль приемника излучения, усилителя средства отображения усиленного изображения выполняет электронно-оптический преобразователь. Оператор рассматривает изображение на экране ЭОП через окуляр. В качестве приемника может использоваться ПЗС-матрица. В этом случае оператор наблюдает изображение на экране монитора.
Современные ПНВ выпускаются в нескольких основных формфакторах. Наиболее простым является ночной монокуляр – удерживаемая в руке оператора зрительная труба обычно невысокой кратности.
Бинокли ночного видения имеют два ЭОП и выводят увеличенное
стереоскопическое изображение. Очки ночного видения – закрепляются на голове, имеют широкое поле зрения и не увеличивают изображение (либо имеют переменное увеличение от 1 Ч до более высокого значения, что позволяет использовать их как бинокль). Очки могут
иметь два ЭОП либо быть псевдобинокулярными, когда изображение
с одного ЭОП поступает на оба окуляра. Монокуляр кратности 1 Ч,
закрепленный на оголовье, может использоваться как дешевая альтернатива очкам. Прицелы ночного видения закрепляются на оружии, как
правило, увеличивают изображение и имеют прицельную сетку. Существуют также приставки ночного видения к дневным оптическим
прицелам. Эти приборы должны выдерживать отдачу оружия, не все
прицелы могут применяться на стрелковом оружии высокой мощности. Альтернативным вариантом прицеливания через ПНВ является
использование закрепленного на оружии инфракрасного лазерного
целеуказателя, невидимый глазу луч которого наблюдается через очки
ночного видения. Приборы ночного видения также устанавливаются
на боевую технику, где они интегрированы в прицельные комплексы.
302

6.5. Волоконно-оптические линии связи
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – устройства и системы, основу которых составляет гибкий волоконно-оптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (передающем) конце и с фотоприемником – на другом (приемником). Они
выполняют функции линий связи и передачи данных: это сверхкороткие линии (до 1 м) для обмена информацией в высоковольтной аппаратуре; короткие бортовые и внутриобъектовые ВОЛС (5–1000 м);
линии средней протяженности (1–20 км), составляющие основу
межмашинных интегральных сетей передачи данных и разветвленных
внутригородских АТС; магистральные ВОЛС длиной в тысячи километров, в том числе меж- и трансконтинентальные, а также подводные.
Волоконный световод (основа ВОЛС) – тонкая гибкая нить, изготовленная из прозрачного материала таким образом, что ее центральная часть оптически более плотная, чем периферийные области.
Вследствие этого луч света, направляемый на торец волокна, распространяется вдоль его оси и может пройти с малым затуханием значительное расстояние.
Физическую основу ВОЛС составляют процессы распространения оптических сигналов по волоконному световоду, а также светогенерационные и фотоэлектрические явления в излучателе и приемнике.
Для технической реализации используются главным образом сверхчистые кварцевые световоды, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды на соединениях АIIIВV, фотодиоды на основе кремния и соединений АIIIВV.
Элементную базу ВОЛС составляют волоконно-оптические кабели, передающие и приемные устройства (модули), оптические соединители, разветвители, коммутаторы.
Преимущества ВОЛС:
1. Малое линейное затухание и искажение сигнала. Волокна уверенно обеспечивают длину межтрансляционного участка в 30–50 км
(что на порядок превышает тот же показатель для коаксиальных металлических кабелей), в отдельных случаях – до 200 км и в перспективе – свыше 1 000 км. Очень важно, что потери в линии практически не
зависят от частоты сигнала.
2. Сверхвысокая пропускная способность. Это объясняется
прежде всего широкополосностью всех элементов ВОЛС (излучатель,
волоконный тракт, фотоприемник), использованием принципа оптического мультиплексирования и возможностью размещения в кабеле
большого числа волокон. Представляется достижимой скорость передачи информации 1012–10 бит/с по одному кабелю.
303

3. Электрогерметичность. Волоконный световод не чувствителен к внешним электромагнитным воздействиям и сам практически не
излучает в окружающее пространство. Этим обеспечивается помехозащищенность ВОЛС и скрытность передачи информации. Тем самым
развитие ВОЛС открывает кардинальный путь решения проблемы
электромагнитной совместимости.
4. Малые габариты и масса. Во-первых, диаметр типичного волоконного модуля составляет всего 0,3–0,5 мм, а площадь поперечного сечения светоканалируемой области (с учетом необходимых отражающей и защитной оболочек) может быть менее 10−5 см2. Во-вторых,
удельная масса используемых материалов (кварц) в несколько раз меньше, чем у металлов (медь, свинец); во многих случаях волоконный кабель
не имеет защитного металлического экрана или этот экран более легкий.
5. Эксплуатационные преимущества. Оптоэлектронные принципы преобразования и передачи информации в ВОЛС, использование
кварца в качестве передающей среды обуславливают наличие электрической развязки между входом и выходом линии; однонаправленность потока информации, отсутствие обратной реакции приемника на
передатчик; пожаро- и взрывобезопасность (исключение искрения и
самосгорания); стойкость волокон к коррозии; простоту прокладки
волоконно-оптического кабеля.
6. Низкая стоимость. Очень важен, прежде всего, неограниченный сырьевой ресурс для производства кварцевых волокон, тогда как
запасы меди и свинца непрерывно истощаются. Большая длина межретрансляционного пролета и высокая информационная емкость оптических каналов резко сокращают аппаратурные расходы по сравнению
с проводными связными системами.
По оптической связи могут успешно передаваться фактически
все виды сообщений: телефонные, телевизионные, потоки данных
ЭВМ, управляющие сигналы систем автоматики и т. п. Характерно, что
по одному и тому же каналу могут успешно передаваться как «быстрые»,
так и «медленные» сигналы в цифровой или аналоговой форме.
В 2009 г. Нобелевскую премию по физике получили ученые, изменившие мир. Причем сделавшие это почти на бытовом уровне – их
изобретения позволили расцвести высокоскоростному Интернету,
цифровой фотографии, а также превратили астрономию в одну из самых
красивых наук, подарив ей возможность делать великолепные снимки.
Чарльз Као удостоился половины Нобелевской премии в 975 тыс. евро за
свои работы по созданию оптоволоконных сетей передачи данных.

304

***
Американский физик китайского происхождения
Чарлз Куэн Као родился 4 ноября 1933 г. в Шанхае. С
давних времен семья Као считалась зажиточной, так
как прежние поколения были умелыми земледельцами. Дети каждого поколения получали хорошее образование. Не стал исключением и Чарлз. После получения среднего образования Чарлз хотел продолжить
обучение в Гонконгском университете. Но после войны это учебное заведение не могло дать тот уровень
знаний, который ему был нужен. Чарлз хотел изучать
электротехнику и поэтому обратился в Британское
посольство для способствования его выезду в Великобританию. Помощь была оказана, и в 1953 г. он на
лайнере P&O отправился в Англию.
В Лондоне он поступил в Политехнический университет Вулвич (который
позже был преобразован в Гринвичский университет). В 1957 г. он получает
степень бакалавра по электротехнике. После окончания университета он устроился на работу в Standard Telephones & Cables (STC), британский филиал американской International Telephone & Telegraph (ITT). Около года он работал как
стажер. Ему понравилось, и он остался еще на 2 года. В течение трех лет пребывания в STC он встретил свою будущую жену Гвен, которая работала в той
же фирме этажом выше. После этого, чувствуя, что нужно двигаться дальше,
Као устраивается в Политехнический университет Лафборо.
Однажды высшее руководство STC получило отчеты об исследованиях
Као и незамедлительно предложило должность в научно-исследовательской
лаборатории, которая находилась в Харлоу. Дабы дать дополнительный стимул,
в Харлоу сразу нашлась работа для жены Чарлза. Университет не хотел мирно
отпускать Чарлза, так как он с женой взял ипотеку под поручительство учебного
заведения. Но, к счастью, адвокаты STC быстро решили все проблемы. После
этого судьба на 30 лет связала Као с STC. В 1965-ом Чарлз получил степень
доктора философии в Имперском колледже Лондона. В 1966 г. Као совместно с
Джорджем Хокхэмом совершает новаторское открытие, из которого следует, что
высокие потери в передаче данных по волокну вызваны не самой технологией, а
примесями в стекле. Результаты своих исследований он представляет в том же
году. Позже выходит его отчет с изложением ключевых особенностей волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи являются основой
телекоммуникаций сегодняшнего дня.
В то время стандартный уровень затухания сигнала составлял 100 дБ/км.
Оптоволокно имело ограниченную сферу применения, например использовалось в медицине для передачи изображения из желудка пациента. В своем отчете Чарлз обосновывает, что можно уменьшить затухание до 20 дБ/км, т. е.
дальность передачи можно довести до 100 км, если увеличить прозрачность
стекла. Это был невероятный прорыв, ибо никто раньше предположить не мог,
что такое теоретически возможно. Работа Као была первой на эту тему и породила целую волну научных изысканий от других исследователей. В 1971 г. американская компания Corning Glass Works изготовила первый километровый образец оптоволокна из плавленого кварца. Новый материал позволил уменьшить
затухание до 17 дБ/км, а добавка диоксида германия снизила его до 4 дБ/км. В
наше время лучшие образцы оптоволокна имеют показатель затухания менее
0,2 дБ/км. Као первым предложил использовать волоконно-оптические кабели

305

для передачи информации на большие расстояния (до этого их дальность ограничивалась несколькими метрами). Поначалу в эту идею мало кто верил, но
личная роль ученого в процессе инженерной и коммерческой реализации проекта в корне изменила индустрию телекоммуникаций. В 1967 г. родители Као эмигрировали в Англию, чтобы быть поближе к сыну и внукам (в 1961-м у Чарлза и
Гвен родился сын, а в 1963-м – дочь). В 1970-м он просит у руководства STC
отпуск на 2 года для формирования факультета электротехники в Гонконгском
университете. Два года растянулись на четыре... Но после первого же выпуска
своих студентов Чарлз незамедлительно возвращается на работу в STC, чтобы
не отстать от событий в области исследования оптоволокна. Также за 4 года он
очень соскучился по родителям, которые продолжали жить в Харлоу. В 1974 г.
проект, над которым работал Чарлз еще в 1966 г., благодаря техническому прогрессу подошел к стадии разработки подготовки производства. Настало время,
чтобы реконструировать телекоммуникационные системы во всем мире. Поэтому ITT переводит Као на завод в Роаноке (штат Вирджиния). Сначала он получил должность руководителя исследовательских работ, позже вице-президента,
а потом и Директора электрооптического отделения. В это время он часто посещает различные лаборатории в Европе, чтобы быть в курсе последних разработок. К 1980-м гг. оптоволокно во всем мире было проложено в больших количествах, его производство развивалось бешеными темпами. Поэтому правление
компании назначило Као координатором, отвечающим за все научноисследовательские действия в этом направлении. Для этого Чарлз переезжает в
главный офис компании в Коннектикут. Должность дала ему полную свободу
действий. Пользуясь своим положением, он создает Оптоэлектронный технологический проект «Терабит». Перед этим проектом стояла задача достигнуть
передачи данных в несколько терабит за секунду. С задачей справились на
отлично – скорость была достигнута и можно было сказать «Интернет родился!»
В 1986 г. снова поступает предложение от Гонконгского университета. Као принимает предложение и руководит университетом с 1987 по 1996 г. Такое странное решение было вызвано не столько предложением Гонконга, как тем, что
компания ITT начала продажу всех технических подразделений компании
Alcatel. Потом Као работал генеральным директором компании Transtech. В
2000 г. основывает Академию развития независимого образования (Independent
School Foundation Academy). В 2009 г. Чарлз переехал в Калифорнию, чтобы
быть поближе к своим детям, которые работают в Кремниевой долине.
Кроме Нобелевской премии по физике 2009 г., Као также награжден премией Мори (1976), премией Ранка (1978), премией Эрикссона (1979), медалью
Белла (1985), премией Общества Маркони (1985), медалью Фарадея (1989),
премией Макгруди (1989), орденом Британской империи (1993), золотой медалью Великобритании (1995), медалью принца Филиппа (1996), премией Японии
(1996), премией Дрейпера (1999), золотой медалью Гонконгского инженерного института (2006). Као является членом Лондонского королевского общества, Китайской
академии наук, Европейской академии наук и искусств, тайваньской Academia Sinica.
В 1996 г. в честь ученого назван астероид Каокуэн, открытый в 1981 г.

Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике,
был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории
(1837–1901), но прозрачность оптических проводов оставляла желать
лучшего – электромагнитная волна внутри них быстро угасала). Кроме
того, свет уходил из волокон через царапины и повреждения. Решение
второй проблемы было найдено достаточно быстро – волокна стали
306

плакировать, т. е. покрывать слоем металла. Проблема затухания была
решена Чарльзом Као, виновниками ослабления были ионы металлов,
присутствующие в стекле. Революционная работа Као, вышедшая в
1966 г., содержала всего 8 страниц. Немногим позже Као и его коллегой Хокамом была создана полная теория работы оптоволокна и предложен наиболее подходящий материал для его производства – плавленый кварц.
Изобретение лазеров сделало возможным построение волоконнооптических линий передачи, превосходящих по своим характеристикам традиционные проводные средства связи. Стеклянные оптические
волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5. В настоящее
время развивается применение пластиковых оптических волокон.
Конструкция. Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей – сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления
сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки.
Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины – 1,479.
Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться
по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела
«сердцевина – оболочка». Все оптические волокна, используемые в
телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов. Пример профилей показателя преломления представлен на рис. 6.9.
Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9
микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну
лишь одной моды электромагнитного излучения, за счет чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.
Существует три основных типа одномодовых волокон:
1. Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией (стандартное) (англ. SMF – Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.
2. Одномодовое волокно со смещенной дисперсией (англ. DSF –
Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией
ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой
307

дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.
3. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией
(англ. NZDSF – Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Рис. 6.9. Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху – одномодовое волокно, слева внизу – многомодовое ступенчатое волокно, справа – градиентное волокно с параболическим профилем

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром
сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и
62,5 микрона в североамериканском и японском стандартах. Из-за
большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения – каждая под своим углом, из-за
чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.
Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки
к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это
изменение происходит иначе – показатель преломления сердцевины
плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на
искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления
градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.
Основное применение оптические волокна находят в качестве
среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных
308

сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до
домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон
позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи,
измеряемыми в терабитах в секунду. Оптическое волокно может быть
использовано как датчик для измерения напряжения, температуры,
давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дает волоконнооптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях. Оптическое волокно используется
в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом
некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном.
Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и
давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они
хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.
Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость
и легкость монтажа, диэлектрические свойства.
Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации).
Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна,
полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным
лучепреломлением.
Оптические волокна широко используются для освещения. Они
используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий
свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых
зданиях оптические волокна используются для обозначения маршрута
с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские елки
(например, рис. 6.10).
Оптическое волокно также используется для формирования
изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами – например, в эндоскопе, который применяется для просмотра объектов через маленькое отверстие.
309

Рис. 6.10. Диск фрисби, освещенный оптическим волокном

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба
конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в
середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся
конструкции используется для шифровки изображения, а другая – для
дешифровки: изображение, пройдя через переплетенные световоды,
превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после
прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается
до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте
изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень
точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором – малейший перекос будет препятствовать расшифровке.
В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного
внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела
диэлектриков с разными показателями преломления (рис. 6.11). Оптическое волокно состоит из двух элементов – сердцевины, являющейся
непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления
сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе
сердцевина – оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая ее.
Волоконно-оптическая связь находит все более широкое применение во всех областях – от компьютеров и бортовых космических,
самолетных и корабельных систем до систем передачи информации на
большие расстояния, например в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа – Япония,
большая часть которой проходит по территории России. Кроме того,
увеличивается суммарная протяженность подводных волоконнооптических линий связи между континентами.
310

Рис. 6.11. Полное внутреннее отражение в оптической среде

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или
Fiber to the home, FTTH) – термин, используемый телекоммуникационными провайдерами для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путем
установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:
 высокоскоростной доступ в Интернет;
 услуги телефонной связи;
 услуги телевизионного приема.
Стоимость использования волоконно-оптической технологии
уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по
сравнению с традиционными услугами.
Историю систем передачи данных на большие расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые сигналы.
С того времени эти системы кардинально улучшились, появились сначала телеграф, затем – коаксиальный кабель. В своем развитии эти
системы рано или поздно упирались в фундаментальные ограничения:
для электрических систем это явление затухания сигнала на определенном расстоянии, для СВЧ – несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально новых систем, и во второй половине XX в. решение
было найдено – оказалось, что передача сигнала с помощью света гораздо
эффективнее как электрического, так и СВЧ-сигнала.
В 1966 г. Као и Хокман из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1 000
дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло
всего 5–10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить. Существовало две глобальных
проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением
311

лазеров в 1960 г., вторая – с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 г. Это была разработка Corning Glass Works. Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне
приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры. После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 г. появилась первая коммерческая волоконнооптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и
использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия
(AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями – 10 км. 22 апреля 1977 г. в Лонг-Бич,
штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые
использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на
скорости 6 Мбит/с.
Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы все еще были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 г. эти системы работали на скорости
до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км. Первый
трансатлантический телефонный оптический кабель – ТАТ-8 – был
введен в эксплуатацию в 1988 г. В его основе лежала оптимизированная технология Desurvire усиления лазера. ТАТ-8 разрабатывался как
первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединенными Штатами и Европой. Разработка систем волнового мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных
по одному волокну, и к 2003 г. при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с). В 2009 г. лаборатории Белла посредством
мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7 тыс. км.

6.6. ПЗС-матрица
Оптический полупроводниковый сенсор – ПЗС-матрица (ChargeCoupled Device – CCD). В 60-х гг. прошлого века Уиллард Бойл и
Джордж Смит, будущие лауреаты Нобелевской премии 2009 г., работали в лаборатории Белла. В это время главным проектом этого исследовательского подразделения корпорации AT&T было создание запоминающего устройства на тонких магнитных пленках Buble Memory.
Устройство было создано, но, после открытия гигантского магнетосопротивления, цены на жесткие диски упали и производство устройств
312

типа Buble Memory стало нерентабельным. Но в 60-е гг. проект Buble
Memory шел полным ходом и в октябре 1969 г. тогдашний вицепрезидент Bell Labs Джек Мортон решил сократить финансирование
подразделения, которое занималось полупроводниковыми схемами.
Чтобы не допустить этого, глава подразделения Уиллард Бойл решил
срочно придумать конкурента Buble Memory. Для этого он и руководитель одного из отделов Джордж Смит 17 октября 1969 г. засели в
офисе Бойла и занялись интенсивным мозговым штурмом. Спустя
примерно час на свет родилась идея ПЗС-матрицы.

***
Американский физик канадского происхождения
Уиллард Стерлинг Бойл (Willard Sterling Boyle) родился
8 июля 1924 г. в Амхерсте (провинция Новая Шотландия,
Канада).
Мать Уилларда была врачом. В трехлетнем возрасте он вместе с семьей переехал в Квебек. До 14 лет
учился дома под присмотром матери. После этого поступил в Монреальский Lower Canada College, где получил среднее образование. В 1943 г. из-за Второй Мировой войны прервал обучение в Университете Макгилла,
чтобы присоединиться к Канадскому военно-морскому
флоту. Потом вступил в ряды Британского военноморского флота. После войны получил степень бакалавра (1947), степень магистра (1948) и степень доктора философии (1950) в Университете Макгилла.
После окончания обучения провел один год в Канадской радиационной
лаборатории. Потом Бойл переехал в Кингстон (провинция Онтарио), где два
года преподавал физику в Королевском канадском военном колледже.
В 1953 г. начал работать в Лаборатории Белла. Через 9 лет совместно с
Доном Нельсоном изобрел непрерывно работающий рубиновый лазер. В 1962 г.
стал директором отдела Космических исследований «Беллкомм» (филиал лаборатории Белла). Во время пребывания на этой должности оказывал поддержку в
разработке космической программы «Аполлон», также помогал выбирать участки для прилунения. В 1964 г. Бойл вернулся в лабораторию Белла и начал работать над разработкой интегральных схем.
В 1969 г. Бойл и Джордж Смит изобрели ПЗС-матрицу (сокр. «прибор с зарядовой связью»).
За это изобретение они совместно были награждены в 1973 г. – медалью
Стюарта Баллантайна от Университета Франклина, в 1974 г. – премией Морриса
Либманна, в 2006г. – премией Чарлза Старка Дрейпера, в 2009 г. – Нобелевской
премией по физике «за разработку оптических полупроводниковых сенсоров –
ПЗС-матриц».
Бойл был исполнительным директором исследований лаборатории Белла
с 1975 г. до отставки в 1979 г. После отставки он поселился в Новой Шотландии
в городке Уолласе и помог своей жене Бетти открыть картинную галерею, где
жена выставляла свои пейзажи. Уиилард связал свою судьбу с Бетти еще в
1947 г. Сегодня у него четверо детей, десять внуков и один правнук. В 2009 г.
Уиллард и Бетти переехали в Галифакс. Уиллард Бойл скончался 9 мая 2011 г.

313

***
Американский физик Джордж Элвуд Смит
(George Elwood Smith) родился 10 мая 1930 г. в УайтПлейнс, штат Нью-Йорк.
После службы в Военно-морском флоте США поступил в Пенсильванский университет, где в 1955 г.
получил степень бакалавра. В 1959 г. в Чикагском университете получил степень доктора философии. Докторская диссертация Смита состояла всего из трех
страниц. Позже о своей диссертации он говорил в духе
«Коротка, но хороша!». С 1959 г. до отставки в 1986 г.
работал в лаборатории Белла (Мюррей, штат НьюДжерси), где проводил исследования по разработке
лазеров и полупроводниковых устройств. За это время
получил около 30 патентов и в конечном счете возглавил отдел по разработке
интегральных схем. В 1969 г. Бойл и Джордж Смит изобрели ПЗС-матрицу
За это изобретение они совместно были награждены в 1973 г. – медалью
Стюарта Баллантайна от Университета Франклина, в 1974 г. – премией Морриса
Либманна, в 2006 г. – премией Чарлза Старка Дрейпера, в 2009 г. – Нобелевской премией по физике «за разработку оптических полупроводниковых сенсоров – ПЗС-матриц».
И Смит и Бойл были очень хорошими моряками и совершили вместе множество морских путешествий. После отставки Джордж вместе со своей женой
Джанет плавал вокруг света на протяжении семнадцати лет. В 2003 г. пришлось
бросить хобби, так как состояние здоровья Джорджа ухудшилось. Сейчас он
живет в Уоретауне в штате Нью-Джерси.

Вторая половина Нобелевской премии 2009 г. была присуждена
Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту за изобретение прибора с зарядовой связью – ПЗС. Так называют полупроводниковое устройство, которое позволяет делать фотографии сразу же в цифровом формате:
был световой поток – и из него сразу же получился файл с изображением. Сейчас, когда цифровая фотография стала такой привычной,
теряется ощущение того, насколько революционным оказалось это
открытие. А ведь еще несколько десятилетий назад цифровая обработка фотографических данных, применявшаяся сугубо в научных исследованиях, была длительной и многошаговой. Изображение фиксировалось на пленку, проявлялось, печаталось, затем сканировалось, превращалось в файл и только затем обрабатывалось. ПЗС-матрица, которая, минуя все эти этапы, сразу же давала пригодное для обсчета цифровое изображение, резко упростила и ускорила весь процесс наблюдения и обработки данных.
Прибор с зарядовой связью стал возможен благодаря двум вещам: удивительному классу материалов, которые создала природа, –
полупроводникам, и смекалке исследователей, которые придумали,
как в полной мере использовать их свойства. Бойл и Смит, будучи
сотрудниками знаменитой Лаборатории Белла (на счету которой, кста314

ти, уже семь Нобелевских премий, но которая, несмотря на это, решила прикрыть свою группу фундаментальных исследований), получили
задание придумать эффективное полупроводниковое устройство для
записи и считывания информации, в котором информация хранилась
бы в виде микроскопических «облачков заряда». Цель этого задания –
составить конкуренцию другому подразделению той же Лаборатории
Белла, в котором уже полным ходом шла разработка элементов памяти
на основе «магнитных пузырьков». При этом ни о какой светочувствительности речь пока не шла – задача касалась только устройства для
хранения и считывания информации.
В памятный день 17 октября 1969 г. Бойл и Смит взялись за эту
задачу и буквально в течение часа набросали на доске прототип требуемого устройства с зарядовой связью. Ключевым его элементом является простейшая МОП-структура («металл – оксид – полупроводник») – слойка, состоящая из металлического слоя и слоя полупроводника, разделенного тонкой прослойкой изолятора, обычно оксида
кремния (см. рис. 6.12). Полупроводник при этом выбирается такой,
в котором главными носителями заряда являются не электроны, а
«дырки», т. е. полупроводник p-типа. К металлическому «пятачку»
подходит электрод, и на него может подаваться нужное напряжение.

Рис. 6.12. Простейшая МОП-структура

Роль «бита» в таком устройстве должно играть облачко электронов. Однако хранить его в полупроводнике p-типа просто так не получится: «дырки» тут же набегут и «поглотят» все свободные электроны.
Поэтому требуется создать небольшую область, в которой дырок будет очень мало, и одновременно сделать так, чтоб электроны никуда
из этой области не разбежались. Оба этих требования удовлетворяются единым махом, если на металлический электрод подать положительное напряжение. Под действием возникшего электрического поля
дырки из-за своего положительного заряда уйдут прочь из небольшой
зоны, расположенной прямо под электродом, а электроны – наоборот,
будут в ней «сидеть» и никуда не уходить. Образуется «ловушка для
315

электронов», которая и хранит информацию. Если в ловушке есть
электроны – в ячейке записана «единичка», если нет – «нуль».
Впрочем, тут же возникает вопрос: а как считывать эту информацию? Стоит только «отпустить» положительное напряжение, как электронное облачко исчезнет. Вот для этой цели Бойл и
Смит и придумали новый метод передачи данных, названный зарядовой связью (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Принцип работы зарядовой связи
в ПЗС-матрице

Пусть у нас есть ряд из МОП-структур – этакая одномерная ПЗСматрица. К каждой ячейке памяти подходят электроды; кроме того,
имеются и вспомогательные, не информационные МОП-структуры,
разделяющие ячейки памяти. При хранении информации на информационных ячейках подано нужное напряжение, а на вспомогательных –
нет. Затем разом на все соседние ячейки – скажем, справа – тоже подается нужное напряжение, и в результате каждая «ловушка для электронов» расширяется на две ячейки. Следующим шагом напряжение с
исходных ячеек снимается, «ловушка для электронов» снова сжимается, но при этом она уже переместилась на шаг вправо, и все электроны
послушно перетекают за ней. Таким образом, информация во всех
ячейках памяти синхронно сдвинулась вправо. Так продолжается цикл
за циклом, а на выходе из этой «линейки» стоит одно-единственное
считывающее устройство, которое просто воспринимает приходящий
на него заряд и выдает обычный цифровой электрический сигнал.
Для двумерной ПЗС-матрицы принцип считывания аналогичен
(см. рис. 6.14). Первым делом вся матрица синхронно сдвигается на
один регистр вниз, затем с самой нижней линейки (и только с нее одной) считывается поступившая колонка битов так, как описано выше.
После этого вся матрица снова сдвигается на один регистр вниз,
с нижней линейки снова считывается информация и так далее.
В результате в очень компактной полупроводниковой конфигурации и
316

с помощью одного-единственного устройства, детектирующего пришедший заряд, можно последовательно, строчка за строчкой, считать
весь массив данных.

Рис. 6.14. Принцип считывания информации с двумерной
ПЗС-матрицы (изображение с сайта ferra.ru)

До сих пор речь шла только о манипулировании ячейками памяти и считывании информации. Однако эту информацию вовсе не обязательно туда записывать – она могла возникнуть там самостоятельно
при облучении ПЗС-матрицы светом. Так получается потому, что полупроводник обладает еще одним уникальным свойством – светочувствительностью. Световые фотоны, попадая внутрь полупроводника,
порождают в нем пары электронов и дырок. Если такой процесс происходит в МОП-структуре, в пределах изначально пустой «ловушки
для электронов», то электроны оседают в ней, а дырки уходят прочь.
В результате с течением времени в ловушке накапливается заряд,
примерно пропорциональный поглощенному световому потоку. Получается, что МОП-структура работает как светочувствительный пиксел
с довольно большим диапазоном градаций яркости. И если теперь
в процессе считывания устройство будет не просто детектировать отсутствие или наличие заряда в очередной ячейке памяти, но и сможет
измерить накопившийся заряд, то у нас и получится самое настоящее
оптическое изображение, записанное сразу в цифровом виде.
Конечно, современные ПЗС-матрицы значительно совершеннее,
чем эта простейшая схема. Современная ПЗС-матрица умеет распо317

знавать цвета, знает, как избежать переполнения «ловушек для электронов», да и сама она построена по усовершенствованной полупроводниковой технологии.
Ну а что касается применений ПЗС-матриц, то они давно вошли
в нашу жизнь в виде компактных цифровых фото- и видеокамер. Миниатюрные размеры ПЗС-матриц привели к революции и в медицинском деле, поскольку резко расширили как диагностические (например, при различных вариантах эндоскопии), так и оперативные возможности врача. Благодаря им развилась техника минимально инвазивной хирургии (лапароскопия). Кроме того, сейчас ПЗС-матрицы
широко используются не только для детектирования оптического излучения, но и в других областях спектра, в частности они применяются в малодозных цифровых рентгеновских установках. На основе ПЗС
функционируют вершинные детекторы для регистрации элементарных
частиц, рождающихся на современных коллайдерах. ПЗС-матрицы
стоят во всех современных телескопах, включая космические. Но
началось все именно с догадки Бойла и Смита о том, как хранить и
последовательно передавать «облачка электронов» в полупроводнике.
Вклад в развитие лазерной спектроскопии и создание квантовых
стандартов частоты Д. Холла и Т. Хэнша был отмечен Нобелевской
премией 2005 г. (Нобелевскую премию с ними разделил патриарх
квантовой оптики Рой Глаубер.)

6.7. «Гигантская гребенка»
В настоящее время система СИ работает с шестью, а не с семью
основными единицами. Метр понижен в должности до производной
единицы, а значение времени и частоты возросло еще больше. С этим
связана длинная история, в которой основным единицам системы СИ
был брошен вызов «со дна сосуда Дьюара», когда были достигнуты
замечательные успехи, давшие квантовый эталон напряжения, основанный на эффекте Джозефсона (Нобелевская премия 1973 г.) и квантовый эталон сопротивления, основанный на целочисленном квантовом эффекте Холла, открытом К. фон Клитцингом (Нобелевская премия 1985 г.). Кроме того, соотношение U2/R дает электрическое определение единице Ватт в системе СИ. Недавно использование одноэлектронного транзистора открыло возможность цифрового счета заряда, протекающего в секунду, а это ведет к определению Ампера,
единицы тока в системе СИ. Такое взаимопроникновение квантовой
физики и метрологии стало горячей темой последнего времени. Замечательные успехи метрологии вместе с достижениями космологии и
астрономии поддерживают и мотивируют наше стремление разобрать318

ся, точны ли и неизменны во времени те величины, которыми мы
пользуемся для описания физического мира. На первый план выходят
стандарты времени (или частоты), и причина этого ясна: время является наиболее продуктивной метрологической переменной. В этой связи
особое значение имеют работы Дж. Л. Холла и Т. Хэнша, удостоенные
Нобелевской премии 2005 г.

***
Джон Льюис Холл (John Lewis Hall) – американский физик, член Национальной АН (1984). Родился 21
августа 1934 г. в Денвере (Колорадо). В 1956 г. окончил
Технологический институт Карнеги в Питтсбурге, штат
Пенсильвания, 5 лет спустя там же защитил докторскую
диссертацию. С 1961 г. работал в Национальном бюро
стандартов (теперь – Национальный институт стандартов и технологий). Одновременно с 1964 г. – в Объединенном институте экспериментальной астрофизики в
Боулдере, штат Колорадо, с 1967 г. – профессор Колорадского университета. Является основателем и владельцем коммерческой фирмы, специализирующейся
на проведении сложных физических измерений с применением высокоточной лазерной техники. Работы связаны с лазерной спектроскопией, созданием лазеров с высокой степенью монохроматичности и когерентности. Разработал (с Т. Хэншем) метод оптической гребенки частоты, позволивший создать прецизионные приборы для измерения и стандартов частоты
на их основе. Созданные ими приборы позволяют проводить измерения с точностью до 18 знаков после запятой. Разработанные ими приборы и методы были применены для точного измерения физических постоянных и их зависимости
от времени. Нобелевская премия 2005 г. (совместно с Т. Хэншем и
Р. Глаубером). Премия Ч. Таунса (1984), премия Дэвиссона – Джермера (1988),
премия И. Раби (2004) и другие.

***
Теодор Вольфганг Хэнш (Хенш) (Theodor Wolfgang Hansch) – немецкий физик. Родился 30 октября
1941 г. в Гейдельберге. Окончил Гейдельбергский университет (1966, степень доктора – 1969). В 1969–1970 гг.
работал в Гейдельбергском университет. С 1969 г. – в
Станфордском ун-те, США (в 1970–1972 гг. – ассистент
А. Шавлова, в 1975–1986 гг. – профессор). С 1986 года –
в Германии, директор Института квантовой оптики им.
Макса Планка. Профессор Университета ЛюдвигаМаксимилиана в Мюнхене (в 2001–2002 гг. – декан физического факультета). Работы в области квантовой
оптики. В 1970 г. создал новый тип лазера с высокой
монохроматичностью и когерентностью (с точностью до
миллионной доли), что позволило измерять частоты с гораздо более высокой
точностью. В 1990-х гг. разработал метод оптической частотной гребенки, позволивший повысить точность измерений частоты до триллионной доли и создать новые прецизионные приборы. В частности искать возможные изменения

319

фундаментальных физических констант в течение длительных промежутков
времени. Нобелевская премия 2005 г. (совместно с Дж. Холлом и Р. Глаубером)
«за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности – за методы
комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне».
Медаль Майкельсона (1986), премия Г. В. Лейбница (1988), медаль Эйнштейна (1995), приз А. Шавлова (1996), премия А. Шавлова (2000), медаль Герлаха (2000), медаль Маттеучи (2002), премия И. Раби (2005), медаль Р. Дизеля
(2006) и др.

***
Рой Глаубер (англ. Roy Jay Glauber; род. 1 сентября 1925, Нью-Йорк) – американский физик, лауреат
Нобелевской премии по физике 2005 г. «за вклад в
квантовую теорию оптической когерентности«. В настоящее время – профессор физики в Гарвардском университете.
Глаубер окончил в Нью-Йорке Научную школу
Бронкса – знаменитую государственную спецшколу. С
1941 г. учился в Гарвардском университете в Кембридже (США). Со второго курса участвовал в манхэттенском проекте, где занимался расчетом критической массы бомбы. Это говорит о его способностях, так как в то
время ему было всего 18 лет. После двух лет участия в
проекте продолжил обучение, получил степень бакалавра (1946) и докторскую степень (1949) в Гарвардском университете. С 1976 г.
работает профессором в Гарварде. В разные года работал в ЦЕРНе, университете Лейдена и Французском колледже в Париже.
Ученый проводил исследования в области квантовой оптики, где разработал
математическое описание когерентного излучения и ввел понятие сжатый свет. Также
занимался столкновениями высокоэнергетических частиц и адронов.
В 2005 г. получил половину Нобелевской премии по физике. Другая половина присуждена Джону Холлу и Теодору Хэншу. Премия имени Макса Борна
(1985), Гумбольта (1989), Премия Дэнни Хайнемана в области математической
физики (1996). Иностранный член Лондонского королевского общества (1997).
Является хранителем метлы в комитете Шнобелевской премии. Обязан
подметать бумажные самолетики после процедуры вручения.

Четыре направления лазерной технологии объединились в 1999–
2000 гг. Первое из них – это реализация повторяющихся последовательностей все более коротких импульсов, второе – поиск путей генерации, как можно более стабильных во времени неизменных частот.
Соединить преимущества сверхбыстрых и сверхстабильных лазеров
удалось тогда, когда обнаружилось, что оптические волокна со специально созданной микроструктурой (третье направление) настолько
нелинейны, что могут преобразовывать фемтосекундные лазерные
импульсы в белый свет, охватывающий целую оптическую октаву.
При этом впервые оказалось возможным генерировать частотную гребенку, заполняющую интервал частот, равный низшей частоте гребенки, и выразить этот интервал как целое кратное от частоты повторения
320

импульсов фемтосекундного лазера. Эта «гребенка» – связь между
стандартом частоты радиодиапазона и всеми оптическими стандартами частоты создавалась вместе со становлением методов повышения
чувствительности, которые явились четвертым направлением. Объединение этих четырех технологий привело к резкому росту точности
измерений частоты и открыло путь к более точной поверке заботливо
хранимых физических принципов, таких как стабильность во времени
фундаментальных физических констант (например, постоянной тонкой структуры, скорости света, отношений некоторых атомных масс
и т. д.). Технология стабильных лазеров позволяет сейчас настолько
точно синхронизовать два независимых фемтосекундных лазера, что
их излучение воспринимается как излучение одного лазера.
Таким образом, в настоящее время источники стабильных частот
доступны в интервале от 10 мкм (30 ТГц) до ~ 280 нм (~ 1 ПГц), что
выходит далеко за рамки видимого диапазона. Созданы системы, в
которых удвоенная частота одного лазера сравнивается с суммой далеко отстоящих частот двух других лазеров. Остаточный дефицит частоты в несколько ТГц можно синтезировать, используя гребенку Коуроги, основанную на использовании радиочастотного модулятора,
помещенного внутрь резонатора.
Один из возможных способов уширения спектральной полосы
оптической гребенки состоит в использовании внутрирезонаторного
усиления для компенсации оптических потерь в модуляторе, например, поместив внутри резонатора кристалл параметрического генератора света. При частотной модуляции легко наблюдаются колебания и
генерация сотен боковых полос.
В заключительные дни последнего тысячелетия лазерное сообщество почти случайно получило от лазерной промышленности исключительно важный подарок. Без него частотные гребенки едва ли
получили бы широкое распространение. Этим подарком было появление мощных лазеров видимого диапазона, основанных на удвоении
частоты твердотельного лазера на неодиме с диодной накачкой. Их
сразу стали использовать вместо довольно шумных и сложных аргоновых ионных лазеров, которые широко применялись для накачки
твердотельных лазеров. Новые лазеры имели очень низкий уровень
остаточного амплитудного шума. Это свойство является ключевым
при работе лазеров с самосинхронизацией мод: лазеры на титанате
сапфира самосинхронизуются из-за индуцированной собственным
излучением оптической линзы, которая уменьшает потери резонатора,
когда все лазерные моды синхронизованы и образуют «оптическую
пулю» в активной среде. Эта нестационарная линза формируется поперечным градиентом показателя преломления, индуцируется оптиче321

ской пулей и может существовать только в ее присутствии. Таким образом, резонатор лазера изначально настраивается так, что для образования лазерных мод с низкими потерями требуется дополнительная
фокусировка, а после начала работы в импульсном режиме поддерживается стабильная самосинхронизация мод. Если длительность импульса составляет всего 10 фс при периоде повторения ~ 10 нс, то при
идеальной синхронизации отношение пиковой мощности к средней
составляет ~ 106. Типичный лазер излучает ~ 0,5 Вт через зеркало с
коэффициентом пропускания 5 %. Следовательно, средняя внутренняя
мощность равна 10 Вт, а пиковая – 10 МВт, и она фокусируется в пятно радиусом ~ 14 мкм на лазерный кристалл из титаната сапфира. При
этом площадь поперечного сечения активной области равна 3 · 10–6 см2,
так что при пиковой мощности 10 МВт получаем интенсивность
3 ТВт см–2. Соответствующее электрическое поле составляет 10 % от
межатомного поля в кристалле, так что не удивительно, что при этом
оптически индуцируется значительное увеличение показателя преломления (оптический эффект Керра). Из-за этого механизма в благоприятном случае ширина линий лазерной гребенки без стабилизации
частоты лежит в пределах 3–10 кГц.
Десятикратное увеличение интенсивности дает трехкратный рост
поля в кварцевом волокне, доводя его фактически до межатомного, и
создает условия для сильных нелинейных взаимодействий. Все спектральные компоненты лазера смешиваются друг с другом, радикально
уширяя спектр. Структура волокна такова, что оптические частоты,
занимающие широкий диапазон, распространяются по волокну почти
с одинаковой скоростью, что сохраняет фазовый синхронизм в данном
частотном преобразовании и приводит к накоплению мощности на
новых частотах. По существу входной спектр на нескольких сантиметрах длины волокна преобразуется в белый свет. На самом деле свет
не совсем белый, поскольку в нем еще сохраняется основной ритм
исходного лазера, например 100 МГц. Поэтому в действительности
происходит генерация гребенки линий в спектре с шириной компонент, связанной с используемой спектральной разрешающей силой. В
конце концов на уровне ширин порядка 1 кГц или меньше процессы
фазовой модуляции, проявляющиеся в широкой полосе во всех лазерах, приводят к уширению линий (если не включена система стабилизации). Такой метод гребенки надежно работает для измерений с точностью более чем 18 знаков.
Объяснение частотных гребенок может быть таким. Пусть есть
синусоидальное напряжение или поле, тогда зависимость от времени
представляет собой гладкие колебания, а в зависимости от частоты
есть только одна фурье-компонента, узкая линия. Добавим теперь в
322

эту волну гармоники. В спектре появятся новые линии в точности на
частотах гармоник, а временная зависимость станет довольно сложной. Подбирая фазы этих гармоник, мы можем начать синтезировать
некое возмущение по временной зависимости, напоминающее импульс, точнее, серию одинаковых импульсов. Продолжим увеличение
числа гармоник. Чем больше мы их добавляем, тем более короткий
импульс мы можем синтезировать и, конечно, тем богаче спектр этого
сигнала. Продолжая добавлять когерентные гармоники исходной синусоиды, мы получим огромное количество линий в спектре. Если
частота исходного источника равна 100 МГц и мы хотим воспроизвести описанный подход и дойти до оптического диапазона, потребуется
несколько миллионов гармоник. При правильном подборе фаз длительность импульса может быть в 106 раз меньше, чем период исходной синусоиды. Итак, мы действительно можем ожидать очень коротких импульсов и очень широкой спектральной полосы.
Эта ситуация хорошо согласуется с результатом фурье-анализа
одиночного импульса. Такой импульс имеет фурье-компоненты на
всех частотах с почти постоянными амплитудами, которые постепенно
уменьшаются на частотах выше частоты, равной обратной длительности импульса. Если мы хотим проанализировать спектр последовательности повторяющихся импульсов, то нам потребуется спектрометр, полоса пропускания которого уже, чем частота следования импульсов – иначе мы не разрешим структуру гармоник. Однако узкая
полоса пропускания соответствует большему времени отклика. Поэтому сигнал на выходе спектрометра, настроенного на определенную
длину волны, будет представлять результат когерентного сложения
вкладов от многих импульсов. Отдельный импульс имеет широкий и
непрерывный спектр, а спектральные амплитуды для многих импульсов интерферируют, что приводит к модуляции спектра. Добавляя со
временем большее число импульсов (при более высоком спектральном
разрешении), мы получим более глубокую модуляцию. В итоге мы
получим фурье-гармоники в виде очень узких эквидистантных линий.
Пока мы не столкнемся с такими техническими проблемами, как фазовый шум в частоте следования, наблюдаемые линии будут тем острее,
чем выше будет разрешение при анализе сигнала. Так что спектр действительно напоминает «гребенку».
На самом деле в отношении фемтосекундных лазеров, используемых при генерации этих импульсов, имеется еще один интересный
момент. Лазер может генерировать колебания на многих модах своего
резонатора, определяемых условием воспроизведения фазы после
полного обхода резонатора. Все вовлеченные моды имеют свое продольное квантовое число, означающее, сколько полных оптических
323

периодов содержится в замкнутой петле. Ясно, что это условие содержит фазовую скорость, которая зависит от длины волны, и предполагает усреднение по многим оптическим элементам, через которые
проходит свет. Другое практически важное обстоятельство связано с
тем, что лазер работает в самоподдерживающемся режиме повторяющихся импульсов. Фактически это означает, что оптические потери
резонатора могут быть сделаны достаточно большими, чтобы подавлять генерацию до тех пор, пока фазы мод резонатора не подберутся
таким образом, что сформируется пространственная дельта-функция.
Особенно важно, чтобы импульс был коротким при прохождении кристалла титаната сапфира, поскольку короткому импульсу соответствует очень высокая пиковая мощность, которая взаимодействует с материалом лазерного стержня по квадратичному закону (оптический эффект Керра), образуя положительную линзу с максимумом показателя
преломления на оси, где интенсивность максимальна. Таким образом,
стабильная самоорганизующаяся генерация импульсов происходит в
лазере с избыточно большими дифракционными потерями (не хватает
положительной оптической силы линзы), но эта ситуация периодически исправляется световой пулей, которая, используя свое воздействие
на кристалл, увеличивает показатель преломления и в необходимой
мере уменьшает потери.
Огибающая импульса, которая описывает эту световую пулю,
является результатом суперпозиции многих лазерных мод, и, если
временные задержки зависят от длины волны, форма огибающей будет эволюционировать. Мы обсуждаем сейчас понятие групповой скорости, согласно которому форма возмущения не меняется во времени,
только если все частоты распространяются с одинаковой скоростью. В
любом реальном лазере необходимо использовать некоторые оптические элементы, которые должны компенсировать задержку голубого
света относительно красного. Чтобы получить как можно более короткий импульс, необходимо, чтобы времена обхода резонатора были
строго одинаковыми, хотя, как нетрудно понять, задача усложняется,
если учесть, что лазерный импульс сам влияет на времена задержки. В
любом случае свет, излучаемый из выходного зеркала лазера, представляет собой регулярную последовательность коротких импульсов,
которые при спектральном анализе имеют структуру гребенки. Однако каждый раз, когда импульс приходит на поверхность зеркала,
быстрые оптические колебания световой волны (формирующей этот
импульс) имеют, вообще говоря, разные фазы. От импульса к импульсу фаза смещается то вперед, то назад, так что гребенка оптических
частот может быть немного смещена относительно идеальных фурьегармоник, которые мы перед этим рассматривали. В обычном случае
324

имеется постоянный сдвиг фазы в каждом импульсе, при котором
сдвиг фазы относительно гармоники на частоте следования импульсов
происходит с постоянной скоростью. Была разработана электроннооптическая схема, названная схемой «самопривязки», которая позволяет стабилизировать эту добавочную частоту – частоту расстройки
между несущей и огибающей – так чтобы ее отношение к частоте следования было равно определенному задаваемому числу. Например,
если его выбрать равным нулю, мы получим чисто гармоническую
гребенку. Если выбрать это отношение равным 1/2, сдвиг гребенки
будет составлять 1/2 от базовой частоты повторения, которая сама,
конечно, равна промежутку между линиями гребенки.
Экспериментально используется, как правило, фемтосекундный
титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод и регенеративным
усилителем. Лазерный пучок от него, сфокусированный в стеклянную
пластинку, вызывает генерацию белого света – континуума, который с
помощью призмы раскладывается на все цвета радуги. Подобные импульсы белого света получаются в результате совместного действия самофокусировки, фазовой самомодуляции и других нелинейно-оптических
процессов. Уже в течение долгого времени такие импульсы использовались для исследования быстропротекающих процессов по схеме возбуждение-зондирование. Поразительную картину представляла собой почти
лазерная спекл-структура радуги цветов, свидетельствовавшая о высокой степени пространственной когерентности излучения.
При условии достаточно высокой степени корреляции между соседними импульсами подобная система может быть использована для
получения частотной гребенки протяженностью в октаву. Частотную
гребенку такой ширины можно использовать в качестве линейки для
измерения большого интервала между лазерной частотой и ее второй
гармоникой, равного самой лазерной частоте. Удается получить белый
свет с помощью импульсов из лазерного генератора без использования
регенеративного усилителя, применение которого значительно снижает частоту повторения импульсов – этого можно достичь с помощью
маленького волновода, изготовленного из материала с высокой оптической нелинейностью, который позволил бы получать белый свет
ниже пороговой мощности самофокусировки. Будут ли интерферировать эти два импульса белого света?
Для проверки использовали интерферометр Майкельсона, который помещался в лазерный луч и был слегка разъюстирован, так, чтобы два луча выходили из интерферометра в двух немного различных
направлениях. Регулируя длину одного плеча интерферометра, добивались, чтобы два сфокусированных импульса попадали строго одновременно на пластину CaF2, на которой наблюдаются стабильные вы325

сококонтрастные интерференционные полосы для всех цветов. Импульсы
белого света оказываются синхронизованы по фазе с лазерным полем
диодной накачки! Если бы такие импульсы были разделены во времени, а
не в пространстве, они бы интерферировали в спектральном представлении, приводя к возникновению очень широкой частотной гребенки.

6.8. Светоизлучающие диоды
7 октября непременный секретарь Шведской Академии наук
Стаффан Нормарк (Staffan Normark) объявил, что Нобелевская премия
по физике 2014 г. присуждена «за изобретение эффективных голубых
светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные
источники белого света». Премии удостоились японские физики Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Хироси Амано (Hiroshi Amano) из
Нагойского университета, а также Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura),
который после ухода из частной фирмы не смог найти работу
в японской университетской системе и вот уже 15 лет профессорствует в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Они получили
108-ю по счету Нобелевскую премию по физике, пополнив прежний
список из 196 лауреатов.

***
Сюдзи Накамура (Nakamura Shūji, род. 22
мая 1954 г. в Икате, префектура Эхимэ, Япония) –
японский и американский физик, изобретатель синего
светодиода, лауреат Нобелевской премии по физике
(2014), в настоящее время работает в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (США).
В 1977 г. Накамура окончил Университет Токусимы по специальности инженер-электроник. В
1979 г. защитил звание магистра по этой же специальности. В 1979 г. принят на работу в Nichia
Chemical Industries в Токусиме. В 1993 г. изготовил
первые светодиоды синего цвета свечения высокой яркости на базе нитрида галлия. В 1994 г. получил степень доктора технических наук Университета Токусимы.
В 2001 г. Накамура подал в суд на бывшего работодателя Nichia, оспаривая бонус за открытие, который первоначально составлял 20 тыс. йен (≈ 180
долл. США). Хотя Накамура первоначально выиграл компенсацию в 20 млрд йен
(≈ 180 млн долл. США), Nichia обратилась с апелляцией, и в 2005 г. стороны
договорились о сумме в 840 млн йен (≈ 9 млн долл. США), на тот момент крупнейший бонус, когда-либо заплаченный японской компанией.
Судзи Накамура опубликовал около 400 статей в самых престижных научных журналах, он имеет около 450 патентов на изобретения. Накамура является
лауреатом множества премий, в числе которых медаль Бенджамина Франклина
Института Франклина (2002, США), Технологическая премия тысячелетия (2006,
Финляндия) и др.
С 2003 г. член Национальной академии инженерии США.

326

***
Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) родился в 1929 г.
городе Тиран в Японии. В 1952 г. окончил Университет
Киото. После окончания университета работал в Kobe
Kogyo Corporation. С 1959 г. работал в Университете
Нагоя. Сначала научным сотрудником, с 1964 г. – доцентом, с 1981 г. – профессором. С 1964 г. работал
в Matsushita Electric Industrial Co начальником фундаментальных исследований. В 1964 г. получил докторскую степень в Университете Нагоя.
В конце 1950-х гг. Исаму Акасаки начал изучать
физику полупроводников и полупроводниковых приборов. В 1960-х гг. он заинтересовался полупроводниковыми источниками света – светодиодами и лазерами. В
1968 г. на Международной конференции по физике полупроводников в Москве
Акасаки выступил с докладом об электрических свойствах арсенида галлия
при низких температурах в сильных электрических полях. С начала 1970-х гг.
Исаму Акасаки понял важность проблемы создания полупроводниковых источников света в голубой и синей области спектра. Одним из полупроводниковых
соединений, на основе которых было возможно создать такие излучатели, был
нитрид галлия, GaN. В 1989 г. Исаму Акасаки с коллегами из Университета
Нагоя продемонстрировали первый светодиод на основе GaN со слоем p-типа
проводимости. Чуть позднее, в 1992 г., они опубликовали статью о создании
первого светодиода на основе GaN с гомогенным p-n-переходом. Данный светодиод излучал свет в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазонах.
В 1992 г. Исаму Акасаки вышел на пенсию. С 2004 г. Акасаки – заслуженный профессор Университета Нагоя. В 2004 г. профессор Исаму Акасаки был
признан культурным достоянием Японии.
В 2009 г. Исаму Акасаки была присуждена премия Киото за пионерские
работы по созданию p-n-переходов в нитриде галлия и за его вклад
в разработку светодиодов синего свечения.
В 2014 г. Акасаки стал лауреатом Нобелевской премии за 2014 г.
по физике.

***
Хироcи Амано родился 11 сентября 1960 г.
в Хамамацу (Япония).
В 1983 г. окончил инженерный факультет, в 1985 г. –
факультет электротехники и электронной инженерии японского Университета Нагоя. Доктор технических наук (1989). В
1988–1992 г. работал научным сотрудником Университета
Нагоя.
С
1992
по 1998 г.
был
преподавателем
в университете в Мэйдзи (Япония). В 1998–2002 гг. – доцент,
в 2002–2010 гг. – профессор в университете в Мэйдзи. С
2010 г. – профессор Университета Нагоя.
В 1982 г. Амано присоединился к группе профессора
Исаму Акасаки и стал заниматься исследованием группы III
нитрида полупроводников, которые хорошо известны
в качестве материалов, используемых в синих светодиодах. В 1989 г. Хироши
Амано с коллегами из Университета Нагоя продемонстрировал первый светодиод на основе GaN со слоем p-типа проводимости. В 1992 г. они опубликовали
статью о создании первого светодиода на основе GaN с гомогенным p-n-

327

переходом. Данный светодиод излучал свет в ультрафиолетовом и синем спектральном диапазонах.
Амано – автор и соавтор более 390 технических работ и 17 книг. Имеет
несколько наград. 7 октября 2014 г. награжден Нобелевской премией по физике
совместно с Исаму Акасаки и Сюдзи Накамура за создание синих светодиодов.

Светоизлучающие диоды, или просто светодиоды, – это полупроводниковые устройства, преобразующие энергию электрического тока
в световое излучение. Этот эффект называется электролюминесценцией.
В 1907 г. его впервые наблюдал в экспериментах с прохождением тока
через кристалл карбида кремния ассистент Гульельмо Маркони и сам
впоследствии крупный изобретатель-радиотехник Генри Джозеф Раунд
(Henry Joseph Round), а спустя шестнадцать лет независимо переоткрыл
сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев, который, как
сейчас ясно, подошел вплотную к изобретению светодиода.

***
Олег Владимирович Лосев (27 апреля (10 мая)
1903, Тверь – 22 января 1942, Ленинград) – советский
физик и изобретатель (15 авторских свидетельств), кандидат физико-математических наук (1938 г. за исследования по электролюминесценции, без защиты диссертации). Изобретатель кристадина (Нижний Новгород, 1929,
работы по изучению эффекта усиления на полупроводниковых кристаллах цинкита, детекторный приемник с
генерирующим диодом) и светодиода (Н. Новгород,
1923 – работы по наблюдению люминесценции карбида
кремния, февраль 1927 – два авторских свидетельства
на «Световое реле»). Умер от голода во время блокады
Ленинграда в 1942 г.

Работа светоизлучающих диодов обусловлена процессами в зоне
контакта полупроводников с дырочной и электронной проводимостью – так называемые p-n-переходы, открытые в 1939 г. американским инженером Расселом Олом (Russell Ohl). На p-n-переходе возникает электрическое поле, которое создает потенциальный барьер, препятствующий перетеканию электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок – в электронную. При наложении внешнего поля со
знаком «минус» на электронной области высота барьера снижается, поэтому электроны и дырки начинают мигрировать сквозь переход навстречу друг другу. Через миллионные доли секунды (или еще быстрее) они
рекомбинируют, излучая кванты света. Спектральный состав излучения
определяется типом полупроводника. Светодиоды на основе арсенида
галлия генерируют инфракрасное и красное излучение, фосфида галлия – желтое и зеленое. Приборы на базе нитрида галлия дают голубое, синее и ультрафиолетовое излучение. Первый в мире красный
328

светодиод изобрел американский физик Ник Холоньяк еще в 1962 г.,
однако голубые светодиоды появились только спустя три десятилетия.
Задача состояла в разработке недорогих светодиодов, основанных на полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны, поскольку энергия излучаемых фотонов, возникающих при рекомбинации электронов и дырок, зависит именно от этой величины. Полупроводниками с большой шириной запрещенной зоны являются карбид
кремния, соединения элементов II и IV группы таблицы Менделеева и
нитриды элементов III группы. Однако у светодиодов на основе карбида кремния оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход
излучения. У светодиодов на основе оксида цинка было слишком
большое сопротивление, из-за этого они перегревались. Наиболее перспективными материалами были нитрид галлия, нитрид алюминия и
нитрид индия, а также их тройные соединения.
Первый синий светодиод был создан еще в 1971 г. в компании
RCA. Его разработал Жак Панков (Яков Исаевич Панчичников), создавший светодиод на основе нитрида галлия. Однако сапфировые подложки показались компании слишком дорогими. Первые промышленные синие светодиоды на основе карбида кремния серийно выпускались
в 1980-х гг., в том числе и в СССР. Однако их яркость была весьма
невелика, поэтому они не получили существенного распространения.
Революция совершилась в 1990 г., когда японский инженер
Сюдзи Накамура, работавший в то время на японскую корпорацию
Nichia Chemical Industries, создал технологию выращивания синих
светодиодов с высокой эффективностью. К 1993 г. компании Nichia
удалось начать промышленный выпуск синих светодиодов нового типа. К 2002 г. доля производства синих светодиодов у компании возросла до 60 % от общего объема производства. На этом же принципе
удалось создать ультрафиолетовые светодиоды.
Помимо расширения спектра дискретных индикаторов и создания полноцветных светодиодных панелей, изобретение недорогих синих светодиодов открыло путь к созданию и успешному коммерческому применению белых светодиодов на основе частичного переизлучения голубой части спектра в свет более длинной волны (желтый,
красный) при помощи люминофоров – наиболее перспективных на
сегодня источников белого света для освещения.
В полупроводники для создания участков с различными типами
проводимости вводят специальные добавки. Так, для получения электронной проводимости нитрид галлия можно легировать кремнием, а
для получения дырочной – магнием. Для создания эффективных светодиодов необходимо выращивать бездефектные кристаллы базисного
полупроводника, а затем легировать их нужными добавками и
329

в нужных пропорциях. Для нитрида галлия это весьма сложно, поэтому технологии производства светодиодов на его основе появились
довольно поздно. Исаму Акасаки начал работать с этим веществом в
1974 г. К середине 1980-х гг. он, Хироси Амано и их коллеги разработали недорогой способ получения кристаллов нитрида галлия
с высокими оптическими качествами. Для этого они воспользовались
методом осаждения вещества на подложку из парогазовой фазы, созданным в первой половине 1970-х. Сходную методику позднее изобрел
и Накамура, работавший тогда в японской компании Nichia Chemical
Industries. К началу 1990-х гг. команды Акасаки и Накамуры разработали технологии получения сплавов нитрида галлия с алюминием или
индием и применили их для получения «сандвичей» из нескольких полупроводников с разными типами проводимости (так называемых полупроводниковых гетероструктур). Именно на базе гетероструктур обе
группы в первой половине 1990-х гг. создали голубые светодиоды
(рис. 6.15), которые освоила полупроводниковая индустрия.

Рис. 6.15. Сверхъяркие голубые светодиоды

Устройства на голубых светодиодах распространены очень широко. Их, вместе с диодами, дающими другие цвета, используют
в полноцветных дисплеях и осветительных приборах. Голубые светодиоды служат также основой светильников иного типа – они возбуждают своим излучением молекулы фосфорных соединений, а те испускают красные и зеленые фотоны, которые смешиваются с голубыми и
дают белый свет. Такие светильники обеспечивают световой поток до
300 люменов на ватт электрической мощности (для ламп накаливания
этот показатель в лучшем случае составляет 16–17 лм/Вт), а их КПД
может превышать 50 %. В производстве они дороже лампочек
с вольфрамовыми нитями и газосветных ламп, но их стоимость быстро
падает, а доступность растет. Поэтому работы новых нобелевских лауреатов представляют собой не только крупное научно-технологическое достижение, но и реальный инструмент глобальной экономии энергии. Сейчас на освещение тратится 20 % мировых электрических мощностей, однако массовое применение светодиодов может
уменьшить эту долю до 4 %.
330

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения
на диоде и материал:
Цвет

Длина волны,
Напряжение, В
нм

Инфракрасλ > 760
ный

Красный

Материал полупроводника
Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия галлия арсенид
(AlGaAs)

ΔU < 1,9

Алюминия-галлия арсенид
(AlGaAs)
1,63 < ΔU < 2,0 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
610 < λ < 760
3
Алюминия-галлия-индия фосфид
(AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)

Оранжевый 590 < λ < 610

Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
2,03 < ΔU < 2,1 Алюминия-галлия-индия фосфид
0
(AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)

Желтый

Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
2,10 < ΔU < 2,1 Алюминия-галлия-индия фосфид
8
(AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)

570 < λ < 590

Индия-галлия нитрид (InGaN) /
Галлия(III) нитрид (GaN)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Алюминия-галлия-индия фосфид
(AlGaInP)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)

Зеленый

500 < λ < 570 1,9 < ΔU < 4,0

Голубой

Селенид цинка (ZnSe)
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Карбид кремния (SiC) в качестве
450 < λ < 500 2,48 < ΔU < 3,7
субстрата
Кремний (Si) в качестве субстрата
(в разработке)

Фиолетовый 400 < λ < 450 2,76 < ΔU < 4,0 Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный

Смесь нескольких
спектров

Ультрафиоλ < 400
летовый

Белый

Широкий
спектр

Двойной: синий/красный диод,
2,48 < ΔU < 3,7 синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком

3,1 < ΔU < 4,4

Алмаз (235 nm)
Нитрид бора (215 nm)
Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия
(AlGaInN) (down to 210 nm)

ΔU ≈ 3,5

Синий/ультрафиолетовый диод с
люминофором

331

Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных
прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно
высока – порядка 8–10 долл. и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько
десятков не слишком мощных светодиодов.
К началу 2011 г. стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов
снизилась и начинается от 0,9 долл. Стоимость сверхмощных (10 Вт и
более P7 и CREE M-CE 15–20 долл. CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10 долл.
Преимущества светодиодов. По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в
электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют
следующие отличия.
 Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и
металлогалогенными лампами, достигнув 150 Лм/Вт.
 Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
 Длительный срок службы – от 30 тыс. до 100 тыс. ч (при работе 8 ч в день – 34 года). Но и он не бесконечен – при длительной
работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла
и постепенное падение яркости.
 Спектр современных светодиодов бывает различным – от теплого белого = 2700 К до холодного белого = 6 500 К. Безопасность
использования. Малые размеры. Высокая прочность.
 Малая инерционность – включаются сразу на полную яркость,
в то время как у ртутно-фосфорных (экономичных люминесцентных)
ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 до
100 % за 3–10 мин, в зависимости от температуры окружающей среды.
 Экономично используют энергию по сравнению с предшествующими поколениями электрических источников света – дуговых,
накальных и газоразрядных. Так, световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 120 Лм/Вт, что сравнимо с отдачей натриевых газоразрядных
ламп – 150–220 Лм/Вт. Люминесцентные лампы имеют световую отдачу 60–100 Лм/Вт, а лампы накаливания – 10–24 Лм/Вт (включая галогенные).
 При оптимальной схемотехнике источников питания и применении качественных компонентов средний срок службы светодиодных систем освещения может быть доведен до 100 тысяч часов, что в
50–200 раз больше по сравнению с массовыми лампами накаливания и
в 4–16 раз больше, чем у большинства люминесцентных ламп. Боль332

шой срок службы в некоторых применениях играет решающую роль.
Так, экономия на обслуживании и замене ламп в уличных светильниках зачастую превышает экономию на электроэнергии. Количество
циклов включения-выключения не оказывает существенного влияния
на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников
света – ламп накаливания, газоразрядных ламп).
 Различный угол излучения – от 15 до 180°.
 Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.
 Безопасность – не требуются высокие напряжения, низкая
температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 °C.
 Нечувствительность к низким и очень низким температурам.
Однако высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
 Экологичность – отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.
Наиболее крупным производителем светодиодов в мире является
компания Siemens со своими дочерними предприятиями Osram Opto
Semiconductors и Osram Sylvania.
Также крупным производителем светодиодов является Royal
Philips Electronics, политика которого заключается в приобретении
компаний, изготавливающих светодиоды. Так, Hewlett-Packard в
2005 г. продал компании Philips свое подразделение Lumileds Lighting,
а в 2006 г. были приобретены Color Kinetics и TIR Systems – компании
с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.
Nichia Chemical – подразделение компании Nichia Corporation,
где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких
светодиодов: белых, синих и зеленых. Помимо вышеперечисленных
гигантов, следует также отметить следующие компании: Cree, Emcore
Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron,
занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.
Крупнейшими производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и
чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения. «Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург)
объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологи333

ческий цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального
управления освещением. Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод
Samsung Electronics в Калужской области.

6.9. Фотонные кристаллы
Все большее число специалистов видят в фотонных кристаллах
будущее оптической связи, а некоторые – и вычислительной техники
вообще. Если использовать для передачи сигналов не электрический ток,
а свет, тогда есть надежда достичь тактовых частот порядка 1 тыс. ГГц.
В 1998 г. западные информационные агентства сообщили, что в
лаборатории Sandia National Laboratories, принадлежащей американскому Департаменту энергетики, разработана новая светоизгибающая
(light bending) технология, которая в недалеком будущем найдет применение в телекоммуникационных сетях. Микроскопическая трехмерная структура (получившая название фотонной решетки) создана на
основе кремния и позволяет передавать когерентный свет в оптическом диапазоне длин волн с минимальными потерями. Эффективность
передачи составляет 95 %, что значительно превосходит показатель
стандартных светопередающих сред (около 30 %), используемых в
настоящее время. При этом можно направлять лучи по сложной траектории, содержащей «изгибы», практически под прямым углом в заданную точку. Решетка представляет собой пачку тонких кремниевых
двухмерных дифракционных решеток, каждый слой которых повернут
на 90° относительно соседнего. Для создания работающей фотонной
решетки достаточно десяти таких слоев.
При взгляде через микроскоп фотонная решетка похожа на подготовленный костер, сложенный колодцем. Она обладает уникальной
способностью изгибать траекторию световых волн определенной частоты практически в любом направлении и практически без потерь.
Это изобретение может привести к существенному прогрессу в области телекоммуникаций и оптических компьютеров.
Решетка из перекрестных диэлектрических полосок является
идеально отражающей средой для световых волн определенного диапазона частот, который называется запрещенной зоной. Световые волны этого диапазона не могут распространяться внутри решетки, а при
наличии внутри нее полостей или нерегулярностей оказываются захваченными такими ловушками. Создавая цепочки нерегулярностей,
можно формировать световедущие каналы, при помощи которых от334

крывается возможность изменять направление световых волн даже на
острые углы. Потери на изгиб в таких устройствах практически отсутствуют, а радиус изгиба в пять-десять раз меньше, чем в использующихся сейчас устройствах интегральной оптики.
Идея фотонной решетки была предложена еще в 1987 г. Эли Яблоновичем, работающим сейчас профессором в Калифорнийском университете. Первый фотонный кристалл размером с бейсбольный мяч
был создан в 1990 г., он управлял микроволновым излучением. Тогда
же был создан кристалл размером уже с шарик для пинг-понга (в университете штата Айова), он тоже работал в микроволновом диапазоне.
Первые кристаллы-решетки собирались вручную из обычных металлических иголок. В том же направлении работала и группа Иоаннопулоса в Массачусетском технологическом институте.
Главное достижение лаборатории Sandia – технологический прорыв в области нанометровых трехмерных структур. Об открытии было
объявлено 16 июля 1998 г., оно запатентовано, были предложения от
крупных промышленников, готовых организовать коммерческое производство. Современные решетки, созданные там Шоном Лин и Джимом Флеммингом, успешно работают в инфракрасном диапазоне
(длины волн около десяти микрон). Мало того, исследователи не останавливаются на достигнутом и изготавливают решетку для полуторамикронных длин волн – именно в этом диапазоне сегодня передается
информация по волоконно-оптическим кабелям.
В лаборатории Sandia очень развита технология изготовления
микроструктур из кремния, похожая на ту, что обычно используют
при производстве компьютерных чипов. Многослойная кремниевая
вафля покрывается двуокисью кремния, затем в нем процарапываются
канавки, которые заполняются полисиликоном. Слой полируется, и на
него накладывается следующий с полосками, направленными перпендикулярно ведущим полоскам. После построения десятка или более
слоев двуокись кремния вытравляется при помощи кислоты, и остается объемная решетка из полисиликоновых полосок толщиной 1,2 мк и
высотой 1,5 мк с расстоянием между ними в 4,8 мк. На шестидюймовом чипе можно разместить десяток тысяч таких решеток.
Подобное достижение означает революционный прорыв в создании оптического компьютера, мечты о котором давно будоражат умы
изобретателей. Одним из главных препятствий на пути его создания
была невозможность изгибать траектории лучей света на большие углы на малых расстояниях. Ведь если заменить провода в современных
чипах световодами, то в устройстве размером со спичечный коробок
световоды придется изгибать миллионы раз.
335

Первое применение фотонного кристалла – создание световедущих каналов. Современные световедущие каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-за недопустимого
увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них. Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны
на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием
запрещенной зоны для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.
Второе применение – это спектральное разделение каналов. Во
многих случаях по оптическому волокну идет не один, а несколько
световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать – направить
каждый по отдельному пути. Например – оптический телефонный кабель, по которому идет одновременно несколько разговоров на разных
длинах волн. Фотонный кристалл – идеальное средство для высечения
из потока нужной длины волны и направления ее туда, куда требуется.
Третье – кросс для световых потоков. Такое устройство, предохраняющее от взаимного воздействия световых каналов при их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового
компьютера и световых компьютерных чипов.
Сотрудники факультета электротехники Стэнфордского университета под руководством профессора Елены Вукович (Jelena Vuckovic)
разработали прототип логического устройства, осуществляющего взаимодействие отдельных фотонов. Американские исследователи создали квантовую точку внутри фотонного кристалла, введя в сферическую полость в арсениде галлия микроскопический шарообразный
фрагмент из арсенида индия. Полученное таким образом устройство
оказалось способным к захвату фотонов, которые взаимодействуют
между собой на квантовой точке. В отличие от предыдущих подобных
попыток, где использовались сложные системы захвата фотонов и
наблюдения их взаимодействия, удалось создать систему, в которой
смогли продемонстрировать взаимодействие двух фотонов в одной
квантовой точке. К тому же использовавшиеся материалы и способы
освоены микроэлектронной промышленностью.
Логический вентиль в цифровых схемах выполняет элементарную логическую операцию, итогом которой является преобразование
множества входных логических сигналов в выходной логический сигнал. Например, одна из операций может состоять в том, что на выходе
будет «1» в том случае, если оба входных сигнала также равны «1», и
«0», если один из входных сигналов равен «0». Аналогичным образом
квантовый фотонный вентиль должен определять свойства поступаю336

щих в него фотонов из двух источников и выдавать на выходе фотон с
одним из двух возможных вариантов поляризации.
Эксперимент, описанный в статье американских ученых, заключался в том, что сначала на квантовую точку направляли один поток
фотонов, при этом на квантовой точке происходило поглощение и переизлучение фотонов без какого-либо изменения их свойств. Однако
при облучении квантовой точки двумя потоками ситуация меняется –
если сначала в нее попадает «контрольный» поток, то затем, после
попадания в нее «сигнального» потока, время пребывания фотонов
внутри квантовой точки изменяется, что соответствует возникновению
фазового сдвига между контрольным и сигнальным потоком или повороту плоскости поляризации. Достигнутый в эксперименте фазовый
сдвиг составил 12,6°. Это пока далеко до 180°, соответствующих изменению поляризации на противоположную, что является обязательным условием для работы квантового логического вентиля. Исследователи считают, что решить проблему можно путем размещения последовательности нескольких квантовых точек, которые в совокупности смогут обеспечить требуемый фазовый сдвиг. Того же эффекта
можно будет добиться при совершенствовании технологии получения
квантовых точек и точности их позиционирования внутри кристалла.
Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались фотонными кристаллами, разглядев самые разные перспективы их использования для увеличения пропускной способности сетей. Чтобы
увеличить объем передаваемых по волоконным световодам данных,
надо создавать как можно более короткие оптические импульсы. Это
определяется временем срабатывания эмиссионных диодов. Вторая
проблема – волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне длин
волн. Третья проблема – на выходе информационных каналов требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные оптические переключатели – своеобразные интегральные оптические схемы.
Для них нужно создавать миниатюрные плоскостные волноводы.
Фотонные кристаллы могут помочь решить все эти проблемы. С
их помощью можно сузить диапазон длин волн излучения в полупроводниковых лазерах и эмиссионных диодах или создать оптические
фильтры с высокой селективностью. Главный недостаток существующих эмиссионных диодов и полупроводниковых лазеров в том, что
они испускают фотоны в большой телесный угол и в широком частотном диапазоне. На основе фотонных кристаллов можно создать зеркало, которое будет отражать определенную волну света для любого
выбранного угла и направления.
Такие трехмерные зеркала были созданы в 1994 г. в лаборатории
Эймса (США) для СВЧ-волн. Для более коротких длин волн их разра337

ботали специалисты из Голландии и США. Эти структуры представляют собой специально уложенные кремниевые полоски – для СВЧволн – или специальным образом ориентированные крошечные (меньше
микрона) кварцевые сферы в некотором коллоидном веществе.
Еще одна перспективная технология в волоконной оптике – скоростные солитонные линии связи, которые отличаются от обычных
высокой помехоустойчивостью и низким уровнем шумов. Солитоны –
это устойчивые уединенные гребни волн, которые распространяются в среде как частицы. При взаимодействии друг с другом или с
другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной. Разработка таких терабитных линий связи финансируется министерством телекоммуникаций Японии в размере около 4 млрд долл. в год. Программа была начата в
1996 г. В ней принимают участие все крупнейшие японские высокотехнологичные компании. К сожалению, о российских разработках
в этой области нам ничего неизвестно.

338

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как и все отрасли науки, электроника не стоит на месте, а уверенно развивается в сторону увеличения производительности и
уменьшения размеров оборудования. Однако количественные изменения скоро исчерпают свой потенциал, и увеличить число транзисторов в
единице объема на базе существующих технологий уже не получится. Но
так как желания человека безграничны и стремление усовершенствовать
уже существующие технологии берет верх над сложностями поставленных задач, найдены новые пути развития.
Преодолеть ограничения позволили нанотехнологии, которые
уже активно внедряются во все сферы жизни человека. Наночастицы
имеют крайне малые размеры, и на их базе можно разрабатывать самые уникальные наноматериалы с необычными свойствами.
Электроника не исключение. Большинство современных компаний, работающих в этой сфере, бьются за уменьшение размеров микросхем, для чего постоянно требуются все новые и новые технологии,
включая 10-нанометровые. На помощь ученым пришел новый наноматериал – графен (его разработками занимались исследователи из Манчестерского университета), который имеет все шансы прийти на замену кремнию в микроэлектронике и стать наилучшим наноматериалом
для массового создания транзисторов нового поколения.
Однако полноценные микросхемы на базе графена вряд ли стоит
ожидать в ближайшем будущем. Пока исследователи научились делать
одноатомные транзисторы лишь в единичном количестве. Что же касается полноценных микросхем, тем более в массовом количестве – для этого
требуется перевести на нанотехнологические рельсы все современное
производство. И достичь этого в ближайшие годы пока, увы, не получится. Но уже сейчас становится понятным, что нанотехнологии будут определять все главные тенденции будущей микроэлектроники.
Что же касается российской электроники, то ситуация с развитием нанотехнологий в России является неоднозначной. Электроника по
сравнению с передним мировым фронтом в России развита слабо. И, к
сожалению, за последние годы экономические реформы вместо ожидаемого рывка в этой области привели к потере позиций, сформированных во времена Советского Союза. Это касается таких областей,
как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на
основе полупроводников. На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая
связь. Здесь мы, к сожалению, не в лидерах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприемников, излучательных структур,
солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем
339

уровне. Потенциал у нас есть, особенно если учитывать, что многие
специалисты, уехавшие из России в тяжелые времена экономических
реформ, весьма успешно работают в самых передовых областях наноэлектроники за рубежом. Необходимо только создать организационные и экономические условия, чтобы все это развивалось и у нас.
Проблема развития технологий в этой области заключается в недостатке спроса в России на данные виды товаров, так как практически не развиты сектора промышленности, выпускающие конечную
продукцию – телевизоры, мобильные телефоны и другие электронные
приборы. Единственным потребителем микросхем является Министерство обороны, но этого недостаточно для обеспечения рентабельности производства. Поэтому российские лоббисты развития микроэлектроники, кроме получения бюджетных средств на развитие отрасли, также рассчитывают на поддержку государства по созданию потенциальных рынков сбыта для своей продукции.
Другая проблема, и не менее важная, заключается в том, что концерны не всегда адекватно оценивают свои научно-технические возможности. Лоббистская машина работает на полную мощь, результаты достигаются, бюджетные средства выделяются, а в итоге оказывается, что компания не в состоянии выполнить ранее взятые обязательства.
Отраслевым лидером на сегодняшний день являются США. И
американский Комитет по контролю над экспортом при Госдепартаменте, с учетом усложнившейся геополитической обстановки, вряд ли
в ближайшие несколько лет даст разрешение своим производителям
поставлять в Россию оборудование для изготовления наиболее современных на сегодняшний день микросхем.
Остается лишь надеяться на то, что правительственные структуры уже озабочены этой проблемой и в ближайшее время будут создаваться определенные организационные и экономические условия для
успешного и быстрого развития электроники в нашей стране.

340

Список использованной
и рекомендуемой литературы
1. Авторское свидетельство № 181737, СССР, H 036 3/09. Полупроводниковый лазер с электрической накачкой / Ж. И. Алферов, Р. Ф. Казаринов ;
Физико-технический ин-т им. Иоффе. – № 950840/26-25 ; заявлено 30.03.65,
опубликовано 15.04.75. Бюл. № 14. С. 1.
2. Алферов Ж. И. Исследование влияния параметров гетероструктуры в
системе AlAs – GaAs на пороговый ток лазеров и получение непрерывного
режима генерации при комнатной температуре / Ж. И. Алферов // ФТП. –
1970. – Т. 4. – С. 1826–1829.
3. Алферов Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж. И. Алферов // ФТП. – 1998. – Т. 32. – С. 3–18.
4. Алферов Ж. И. О возможности создания выпрямителя на сверхвысокие плотности тока на основе p-i-п (р-п-п+, п-р-р+)-структуры с гетеропереходом / Ж. И. Алферов // ФТП. – 1967. – Т. 1, № 2. – С. 436–464.
5. Алферов Ж. И. Физика и жизнь / Ж. И. Алферов. – М. : Наука, 2000. – 255 с.
6. Барыбин А. А. Электроника и микроэлектроника. Физико-технологические основы / А. А. Барыбин. – М. : Физматлит, 2006. – 293 с.
7. Валиев К. А. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография / К. А. Валиев // Вестн. Рос. акад. наук. – 2000. – Т. 70, № 8. – С. 688–718.
8. Гафнер А. Е. Оптические квантовые генераторы и их приложения /
А. Е. Гафнер, Н. К. Душутин, А. Н. Малов. – Иркутск : Изд-во Иркут. гос. пед.
ун-та, 2009. – 219 с.
9. Герасименко Н. Н. Мир материалов и технологий. Кремний /
Н. Н. Герасименко, Ю. Н. Пархоменко. – М. : Техносфера, 2006. – 355 с.
10. Губарев В. Интервью с академиком А. А. Самарским. Чаепитие в
академии // Лит. газ. – 2001. – Октябрь.
11. Губарев В. С. Белый Архипелаг Сталина / В. С. Губарев. – М. : Молодая гвардия, 2004. – 419 с.
12. Драгунов В. П. Основы наноэлектроники : учеб. пособие / В. П. Драгунов,
И. Г. Неизвестный, В. А. Гридчин. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2000. – 332 с.
13. Душутин Н. К. Гальваномагнитные эффекты и их приложение в технике и технологиях / Н. К. Душутин, Ю. В. Ясюкевич. – Иркутск : Изд-во
ИГУ, 2010. – 173 с.
14. Душутин Н. К. Из истории вычислительной техники / Н. К. Душутин, С. Н. Ушакова, Ю. В. Ясюкевич. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2011. –298 с.
15. Душутин Н. К. Теория излучения / Н. К. Душутин, Ю. В. Ясюкевич. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2008. – 181 с.
16. Ерамаков О. Н. Мир электроники. Прикладная оптоэлектроника /
О. Н. Ерамаков. – М. : Техносфера, 2004. – 372 с.
17. Зарубин П. В. Академик Басов, мощные лазеры и проблемы противоракетной обороны / П. В. Зарубин // Квантовая электроника. – 2002. – Т. 32,
№ 12. – C. 1048–1064.
18. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов / пер. с англ. ;
С. М. Зи ; под ред. А. Ф. Трутко. – М. : Энергия, 1973. – 655 с.
19. Ильин В. А. История физики : учеб. пособие / В. А. Ильин. – М. :
Академия, 2003. – 272 с.
341

20. Капица С. П. «Ж. И. Алферов. Физика и жизнь» // Вестн. Рос. акад.
наук. – 2001. – Т. 71, № 6. – С. 560–566.
21. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров / Ф. Качмарек. – М. : Мир,
1981. – 640 с.
22. Кокин Л. История о том, как из электроизмерительного прибора родилась электромузыка // Наука и жизнь. – 1967. – № 12. – С. 130–138.
23. Красова О. С. Норберт Винер. 2008 [Электронный ресурс] //
О. С. Красова, Ю. А. Петрова. – URL: http://mirknig.mobi/data/2013-06-02/138
0341/Petrova_Norbert_Viner.1380341.pdf.
24. Леонов А. И. Радиолокация в противоракетной обороне / А. И. Леонов. – М. : Воениздат 1967. – 136 с.
25. Луи де Бройль. Речь, произнесенная по случаю вручения розетки кавалера Ордена Почетного Легиона Ли де Форесту 5 октября 1956 г. По тропам
науки / Луи де Бройль. – М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1962. – 408 c.
26. Магнитные материалы микро- и наноэлектроники / А. А. Гаврилюк,
Н. К. Душутин, А. Л. Семенов, Ю. В. Ясюкевич. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2012. – 147 с.
27. Малиновский В. Б. История вычислительной техники в лицах / В. Б. Малиновский. – Киев : КИТ, ПТОО «А.С.К.», 1995. – 384 с.
28. Машкевич В. С. Кинетическая теория лазеров / В. С. Машкевич. –
М. : Мир, 1976. – 486 с.
29. Млечин В. В. На передних рубежах радиолокации / В. В. Млечин. –
М. : Алгоритм, 2013. – 336 с.
30. Мусский С. А. 100 великих нобелевских лауреатов / С. А. Мусский. –
М. : Вече, 2003. – 1124 с.
31. Нанотехнология в ближайшем десятилетии / под ред. М. К. Роко,
Р. С. Уильямса, П. Аливисатоса. – М. : Мир, 2002. – 292 с.
32. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / под ред.
В. В. Лучинина, Ю. М. Таирова. – М. : Физматлит, 2006. – 552 с.
33. Никитин С. А. Гигантское магнетосопротивление / С. А. Никитин //
Соросовский образоват. журн. – 2004. – № 2. – С. 92–98.
34. Онищенко Е. А. Полупроводниковые гетероструктуры: от классических к низкоразмерным, или «Конструктор» от Нобелевского лауреата [Электронный ресурс]. – URL: http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftp.html.ru.
35. Пател К. Мощные лазеры на двуокиси углерода // Успехи физических наук. – 1969. – Т. 97, № 4. – С. 697–713.
36. Пул Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. – М. : Техносфера, 2007. – 327 с.
37. Русов Р. Сверхчеловек говорит по-русски / Р. Русов, М. Калашников. – М. : АСТ, Астрель, 2006. – 640 с.
38. Самохин В. П. Памяти Льва Термена (1896–1993) / В. П. Самохин,
К. В. Мещеринова // Наука и образование. – 2013. – № 12. – С. 1–47.
39. Сергей Алексеевич Лебедев. К 100-летию со дня рождения основоположника отечественной вычислительной техники. 2002 [Электронный ресурс] /
под ред. В. С. Бурцева. – URL: http://www.ipmce.ru/about/history/leading/lebedev/.
40. Спасский Б. И. История физики / Б. И. Спасский. – 2-е изд. – М. :
Высш. шк., 1977. – Ч. 2. – 310 c.
41. Стенхольм С. Основы лазерной спектроскопии / С. Стенхольм. –
М. : Мир, 1987. – 312 с.
42. Томилин А. К 100-летию со дня рождения академика Сергея Алексеевича Лебедева [Электронный ресурс] // Еженедельник PC WEEK/Russian Edition
(Компьютерная неделя). – 2002. – Т. 358, № 40. – URL: http://www.pcweek.ru.
342

43. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов : учебник / Я. А. Федотов. – М. : Сов. радио, 1970. – 591 с.
44. Феоктистов Л. П. Лев и Атом. Академик Л. П. Феоктистов: автопортрет на фоне воспоминаний / Л. П. Феоктистов. – М. : Воскресенье, 2003. – 440 с.
45. Франкфурт У. И. Джозайя Виллард Гиббс / У. И. Франкфурт,
А. М. Френк. – М. : Наука, 1964. – 279 c.
46. Холл Дж. Л. Определение и измерение оптических частот /
Дж. Л. Холл // УФН. – 2006. – Т. 176, № 12. – С. 1353–1368.
47. Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник / Ю. А. Храмов. – М. : Наука, 1983. – 400 c.
48. Хэнш Т. В. Страсть к точности / Т. В. Хэнш // УФН. – 2006. – Т. 176,
№ 12. – C. 1368–1381.
49. Чаплыгин Ю. А. Нанотехнологии в электронике / Ю. А. Чаплыгин. –
М. : Техносфера, 2005. – 285 с.
50. Шелованова Г. Н. Актуальные проблемы электроники и наноэлектроники / Г. Н. Шелованова. – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – 220 c.
51. Шик А. Я. Физика низкоразмерных систем / А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф. Мусихин. – СПб. : Санкт-Петерб. гос. ун-т, 2001. – 346 с.
52. Ясюкевич Ю. В. Излучение электромагнитных волн / Ю. В. Ясюкевич, Н. К. Душутин. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2012. – 227 с.
53. Cory D. G. Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy: an experimentally
accessible paradigm for quantum computing / D. G. Cory, A. F. Fahmy, T. F. Havel //
Physica P: Nuclear phenomena. 1998. Vol 120, N 1–2. P 82–101.
54. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange / G. Binasch, P. Grunberg, F. Saurenbach,
W. Zinn // Phys. Rev. B. – 1989. – Vol. 39. – P. 4828–4830.
55. Esaki L. Superlattices and Negative Differential Conductivity in Semiconductors / L. Esaki, R. Tsu // IBM Jour. Res. Dev. – 1970. – Vol. 14. – P. 61–65.
56. Feinman R. P. Quantum Mechanical Computer / R. P. Feinman // Foundations of Physics. – 1986. – Vol. 16, N 6. – P. 507–531.
57. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices /
M. N. Baibich [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 1980. – Vol. 61. – P. 2472–2475.
58. Hijya J. A. Lee De Forest and the Fatherhood of Radio / J. A. Hijya. –
Bethlehem, PA : Lehigh University Press, 1992. – 182 p.
59. Kroemer H. A proposed class of heterojunction injection lasers /
H. Kroemer // Proc. IEEE. – 1963. – Vol. 51. – P. 1782–1783.
60. Quantum state transfer and entanglement distribution among distant
nodes of a quantum network / J. I. Cirac, P. Zoller, H. J. Kimble, H. Mabuchi //
Phys. Rev. Lett. – 1997. – Vol. 78. – P. 3221.
61. Scientific Staff of the Fusion Energy Foundation. Beam Defence an Alternative to Nuclear Destruction. Fallbrook, CA, USA: AERO Publ. Inc., 1983. – 154 p.
62. Titlel W. Quantum cryptography / W. Titlel, G. Rihordy, N. Gisin // Physics World. – 1998. – P. 41–45.
63. URL: http://www.pro-pvo.ru/.
64. URL: www.elementy.ru.
65. URL: www.n-t.ru.
66. URL: www.wikipedia.org/.

343

Учебное издание

Душутин Николай Константинович
Ясюкевич Юрий Владимирович

ИЗ ИСТОРИИ
ЭЛЕКТРОНИКИ
ISBN 978-5-9624-1267-2

Редактор А. Н. Шестакова
Дизайн обложки П. О. Ершов
Темплан 2015 г. Поз. 59
Подписано в печать 20.10.2015. Формат 60х90 1/16
Уч.-изд. л. 21,2. Усл. печ. л. 21,5. Тираж 60. Заказ 121
Издательство ИГУ
664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 36