Не станем утомлять читателя дальнейшим углублением в теорию вероятностей. Скажем просто: в нашем случае для реализации требуемых эффектов достаточно примерно десяти тысяч электронов. Но что значит десять тысяч электронов? Это значит десять тысяч примесных атомов. Общее количество атомов, необходимых для построения одного структурного элемента, возрастает до величины 1012. В кристаллической решетке 1012 атомов занимают кубик с размером ребра 10–6 метра, то есть один микрометр. Это и есть теоретически минимальный размер одного структурного элемента интегральной схемы.
В том, что касается размеров, полупроводниковая электроника проигрывает по сравнению с природными конструкциями более чем в тысячу раз — это надо признать. Не станем, однако, расстраиваться. На поверхности полупроводниковой пластины структурный элемент занимает площадь (10–6)2, то есть 10–12 квадратного метра. Если считать, что кристаллическая пластинка представляет собой квадрат со стороной в один сантиметр, то площадь ее равна 10–4 квадратного метра, а значит, на ней может быть расположено 108, то есть до ста миллионов, структурных элементов.
Количество структурных элементов на полупроводниковой пластине, или, как говорят, на одном кристалле, получило название степени интеграции. Итак, теоретический предел для степени интеграции имеет порядок 108.
Конечно, можно увеличить площадь пластины, но существенное увеличение с учетом жесточайших требований к чистоте материала и однородности структуры кристалла встречает почти непреодолимые технологические трудности. Более реальным считается создание многослойных интегральных схем.
Вообще на сегодня теоретический предел степени интеграции еще далеко не достигнут. Согласно одному из последних сообщений в Японии изготовлен экспериментальный образец кристалла памяти емкостью 16 миллионов запоминающих ячеек. Размеры кристалла 8,9 на 16,6 миллиметра. Подобная схема содержит 40 миллионов структурных элементов, расположенных на двадцати слоях, то есть примерно по два миллиона на слой.
Все это выглядит громоздко по сравнению, например, с хромосомой, которая может содержать несколько миллионов структурных элементов и при этом видна только в сильный микроскоп. Но и особых оснований, чтобы расстраиваться, тоже нет. Уже сегодня система, содержащая несколько миллиардов функциональных элементов (функциональных, а не структурных — каждый функциональный элемент содержит до сотни структурных), то есть примерно столько же, сколько по современным оценкам имеется нервных клеток в мозгу человека, занимает объем порядка кубического дециметра. Так или иначе, но прогнозы фантастов относительно появления ЭВМ величиной с дом, город или целую планету оказались несостоятельными.
Важной характеристикой структурных элементов информационных систем, является время выполнения одной операции. В живой клетке операция выполняется путем транспортировки соответствующих молекул. О каких-то серьезных скоростях тут и говорить нечего. Время выполнения одной операции в биологических системах измеряется миллисекундами (10–3 с). В структурных элементах интегральных схем время выполнения операций зависит от времени переноса соответствующих электрических зарядов. Один структурный элемент может содержать 104 электронов, суммарный заряд которых имеет порядок 10–15 кулона.
Вернемся к рисунку 7 и предположим, что надо изгнать эти 104 электронов для того, чтобы образовать канал. Реальные значения токов, которые протекают в подобных структурах, имеют порядок микроампер, то есть 10–6 ампера. Заряд 10–15 кулона переносится током в 10–6 ампера за 10–9 секунды. Это и есть теоретическая оценка для времени срабатывания одного структурного элемента интегральной схемы. Поскольку функциональный элемент содержит несколько структурных, эта величина должна быть соответственно увеличена. У упоминавшейся японской схемы памяти на поиск и выдачу нужного участка записи затрачивается 87 наносекунд. В части быстродействия искусственные технические системы определили природу примерно в миллион раз.