Химия компьютерного мира
Школьная наука часто преподается в сухой и неинтересной форме. Дети учатся механически запоминать, чтобы сдать экзамен, и не видят связи науки с окружающим миром.
Эти слова принадлежат великому физику, никогда не сдающемуся и верящему в чудеса, Стивену Хокингу. Но важны не слова об образовании, а вторая часть цитаты о связи науки с окружающим миром. Наука следует за нами каждый день. Она повсюду, видим мы это или нет. Её влияние мы ощущаем вне зависимости от нашего вероисповедания, места жительства или рода занятий. Черт подери, наука была еще до того, как сам этот термин был придуман. Вся наша Вселенная полна процессов, которые описываются различными науками. В большинстве своем, предпочтение все же отдается физике. Науке, способной хаос назвать порядком, а порядок хаосом. И пояснить почему именно так, а не иначе. Однако мне бы хотелось прикоснуться к науке, которая так же, как и физика, присутствует в нашей жизни, обладая невероятным влиянием на её течение. Долго сохранять интригу не вижу смысла, ибо все уже из заголовка к этому очерку и так поняли, что речь пойдет о химии. Но не просто о химии, как о науке, а о том, как она проявляет свою силу и красоту в компьютерном мире.
Конечно, для большинства из нас, воспоминания о школьных уроках химии не ностальгия, а скорее облегчение от понимания того, что этот кошмар наконец-то закончился. Однако нельзя приуменьшать значение сей науки. Именно химия дала нам возможность создать более быстрые и мощные компьютеры, увеличить объем жестких дисков, даже довести качество картинки на наших мониторах до нереальных.
С течением времени компьютерный мир стремительно совершенствуется. Одним из самых заметных аспектов этого процесса является увеличение мощности и уменьшение размеров тех или иных устройств, которые мы используем. К примеру, микрочипов, а следовательно и кремниевых транзисторов. И весь этот процесс компьютерной эволюции постоянно сталкивается с неумолимыми законами физики. Постоянное увеличение числа транзисторов в микрочипах дает больше мощности и больше головной боли их создателям. Именно тут химия и приходит на помощь.
Химия транзисторов
Транзисторы работают благодаря тому, что полупроводники из которых они сделаны (кремний, германий), обладают очень необычным и весьма полезным свойством — они проводят электрический ток лучше, чем изоляторы (стекло, например), но не так хорошо, как проводники (алюминий, например).
Ученые могут манипулировать проводимостью полупроводников, увеличивая её или уменьшая, за счет добавления небольшого количества примесей (часто используется для этого бор или мышьяк). «Разбавляя» кремний другими веществами, ученые меняют его свойства. Он может, в итоге, действовать как изолятор, или как металл. Что напрямую влияет на способность транзисторов выполнять свои функции.
Кремний — полупроводник, используемый для производства транзисторов — является самым распространенным материалом в мире на данный момент. Он составляет 27,7% массы земной коры и является основным составляющим песка.
Хотя первый транзистор, созданный в Bell Labs в 1947 году, был сделан на основе германия, есть ряд причин почему Кремниевая долина не называется Германиевой.
Bell Labs
Самой банальной причиной является труднодоступность и высокая стоимость германия. Куда более серьезная проблема заключалась в химических свойствах изоляционной формы этого вещества под название оксид германия. Он растворяется в воде, потому в процессе шлифовки, необходимом для создания нескольких транзисторов на одном микрочипе, он по просту «исчез» бы. Таким образом, пролив стакан воды на свой «германиевый» ноутбук, Вы его просто выбросили бы.
Именно это и подтолкнуло ученых использовать кремний, который, в свою очередь, также обладает некоторыми недостатками. О них чуть позднее.
Intel 4004
Небольшой экскурс в историю. В 1971 году компания Intel выпустила первый микропроцессор Intel 4004, который содержал 2300 транзисторов. Сейчас же один микропроцессор содержит в себе несколько сотен миллионов транзисторов и число их растет с каждым годом.
Это является прямым подтверждением закона Мура (со-основатель Intel Гордон Мур), который гласит, что число транзисторов на одном чипе будет увеличиваться вдвое каждые 2 года. Весьма смелое, но невероятно точное предсказание. Однако сейчас микрочипы становятся все меньше и меньше в размерах. Мощность их при этом увеличивается именно благодаря увеличению числа транзисторов. И пока химия справляется с этим процессом «размер меньше/мощность больше». К сожалению есть одно «Но» — когда компоненты микрочипа уменьшаются, пространство где соединительные проводки транзисторов стыкуются с кремниевой пластиной также уменьшается. Грубо говоря, уменьшая транзисторы и сами микрочипы, уменьшаться должны и компоненты, соединяющие все во едино. И в итоге, не придумав как уменьшить эти компоненты, мощность и размеры микрочипов останутся на текущем уровне.
Решением данной проблемы для компании Intel стала смена металла (микрочипы становятся меньше, а сопротивление больше). Когда один проводник перестает быть эффективным, начинают использовать другой. В далеких 1980-х использовался вольфрам, потом титан в ранние 90-е, позднее кобальт, и никель, который используется сейчас. Каждый из новых металлов совершенствовал микрочипы, поскольку уровень сопротивления в точках соединения уменьшался.
Однако постоянный переход от одного металла к другому несет много головной боли для производителей микрочипов. Каждый раз возникают новые сложности. После длительного использования вольфрама (около 5 лет, по словам Intel) пришлось поменять оборудование для депонирования (хранения) материалов. Также пришлось перейти от нагрева полупроводниковых пластин в специальных печах до использования газоразрядных ламп, поскольку это сопутствует более прочному соединению нового материала с кремнием. Основной задачей сейчас является выработка методики, позволяющей изменять необходимые материалы без особых затрат для производителя, как финансовых, так и временных.
Еще одной большой проблемой стало соединение транзисторов и самой платы. А точнее желание перейти от алюминия к меди. Суть в том, что медь является более хорошим проводником, нежели алюминий, но её использование невозможно в виду её подверженности коррозии. Однако отбрасывать этот материал — глупо, лучше помозговать как решить проблему с коррозией.
Титан
И вот, в начале 90-х, ученые пришли к выводу, что тонкий слой титана поверх меди может предотвратить коррозию. Эта проблема была решена, но была и еще одна. Алюминиевые соединения можно было накладывать на микропроцессор используя стандартные литографические методы. Что нельзя сказать о меди. К тому же, медь не должна соприкасаться с кремнием в виду возникновения определенных взаимодействий между материалами, которые могут повредить транзисторы.
Важным аспектом постоянного уменьшения микропроцессоров является не только соединение материалов. Работоспособность затворов транзистора напрямую зависит от тонкого изолирующего слоя диоксида кремния. Уменьшение транзисторов привело и к уменьшению данного слоя, толщина которого сейчас колеблется от 3 до 4 атомов.
Минусом такой толщины является утечка тока. То есть, вместо таких положений как включен или выключен, мы получаем положения включен и выключен с утечкой. Чем меньше становятся микропроцессоры, тем больше мощности они требуют для нормальной работы.
Таким образом, выключая транзистор, нельзя предотвратить потерю тока. Микрочип Pentium потребляет около 30–40 ватт с 1 ваттом потери. Сейчас же необходимо около 100 ватт для нормальной работы современных микропроцессоров, причем в итоге теряется около половины тока. И данный процесс также сопутствует сильному выделению тепла. То есть, в ноутбуках нельзя использовать 100-ваттные чипы, потолок для данных устройств — 30–40 ватт.
Таким образом, если не решить все вышеперечисленные проблемы, закон Мура станет историей, и дальнейшего процесса эволюции микрочипов придется ждать еще очень долго.
ДНК вместо кремния
Некоторые из исследователей задумываются о полной замене кремния на что-то более совершенное. Уже сейчас используется арсенид галлия, обладающий некоторыми преимуществами перед кремнием. Во-первых, скорость работы таких микропроцессоров значительно выше. Во-вторых, они крайне чувствительны к различным радиоволнам, что делает их идеальным вариантом для мобильных телефонов и карт беспроводного Интернет-соединения. Однако большие требования по потребляемой мощности ограничили применение транзисторов на основе арсенида галлия исключительно в коммуникационных чипах.
Также не стоит забывать об исследованиях углеродных нанотрубок. Использование полых цилиндров будет требовать значительно меньше энергии, чем сделанных из кремния.
Однако, если слегка сдвинуть свое мышление от научного к научно-фантастическому, то почему бы не использовать ДНК. Такой вариант выглядит практически нереальным. Однако стоит взглянуть на возможные преимущества, как данная затея покажется тортом, который все же стоит свеч. А точнее:
- цепочки ДНК уже кодируют информацию, а ученым уже удается изменять её путем копирования, удаления или перемещения определенных отрезков цепочки;
- хранение данных на ДНК значительно увеличит скорость их обработки и уменьшит потребление энергии (теоретически);
- также сам материал (ДНК) очень доступен, дешев, как и нанотрубки, невероятно мал в размерах.
Схематический пример задачи коммивояжёра
Идея использования ДНК в компьютерных технологиях не нова. Еще в 1994 году Леонард Макс Адлеман, учёный-теоретик в области компьютерных наук из Университета Южной Калифорнии, использовал ДНК для решения задачи коммивояжёра (нахождение оптимального пути между несколькими городами с условием посещения каждого лишь раз). На это ушло несколько дней, так что супер-быстрых ДНК-компьютеров в ближайшее время ждать не приходится.
Химия HDD
Жесткие диски или HDD (hard disk drive) — одни из самых распространенных средств хранения и обработки данных, особенно в ноутбуках и персональных компьютерах. На HDD информация записывается на жёсткие пластины из алюминия или стекла, покрытые слоем ферромагнитного материала.
Процесс записи данных на HDD происходит путем намагничивания того или иного сектора HDD. Точнее, жесткая пластина вращается с большой скоростью, а пишущая головка, расположенная на расстоянии 10 нм, передает переменное магнитное поле, изменяющее вектор намагниченности домена, который находится в этот момент прямо под головкой. Грубо говоря, пустой сектор (домен) не имеет никакого заряда, а заполненый информацией обладает определенным магнитным вектором (север-юг), комбинация которых создает логическую последовательность 0 и 1, за счет чего и формируется сама информация.
В итоге мы имеем несколько элементов, которые могут усовершенствоваться посредством использования новых химических элементов: жесткие пластины, головка считывания-записи. Попытки уменьшить физический размер пластин при увеличении объемов хранимой и обрабатываемой информации сталкиваются с новыми проблемами, решить которые может химия.
На данный момент пластины HDD создаются из сплава кобольта, хрома и платины. Первые два материала необходимы для создания магнетизма и занимают около 50–60% от общей «смеси». Платина же предотвращает неконтролируемую смену магнитного вектора домена пластины.
При уменьшении толщины пластины возникает новая проблема. Сейчас магнитные частицы измеряются в пределах 10 нанометров. Будучи столь малыми, они начинают вибрировать, во время нагрева. Платина пока способна компенсировать этот эффект, но её возможности не безграничны.
Таким образом при уменьшении размеров пластины, платина не сможет предотвращать неконтролируемую смену магнитного вектора домена. Пока этот предел размеров не достигнут, но исследователи уже поставили перед собой весьма амбициозную задачу — уменьшить с 10 нанометров до 5. Достичь этого возможно изменяя температуру, при которой формируются слои, или же использовать определенный материал под магнитным слоем. К примеру, использование никеля позволяет разбивать пластину на большее число доменов.
Еще более серьезной проблемой является то, что на типичных дисках магнитные частицы не разбиваются на одинаковые области, одна область может быть больше другой. Проще говоря смена полярности магнитной области усложняется еще тем, что мы не знаем точного положения области из-за неравномерного распределения.
Химия магнитных головок диска также эволюционировала.
Считывающие головки жестких дисков во время работы не соприкасаются с поверхностью пластин из-за прослойки набегающего потока воздуха, который образуется у поверхности при быстром вращении (обычно 5400 или 7200 об/мин). Расстояние между головкой и диском в современных дисках равно около 10 нм. Такое малое расстояние обусловлено необходимостью передачи переменного магнитного поля с головки на пластину.
Изначально считывающие головки изготавливались из никеля (80%) и железа (20%). Позднее соотношение было изменено до 45%/55%. Однако этого было недостаточно для решения поставленной задачи, потому начали применять сплав кобальта и железа.
Еще одной проблемой является физические повреждения пластины головкой считывания-записи. Как мы уже говорили, пластина вращается очень быстро, создавая вибрацию, а головка расположена на критически малом настоянии. И иногда головка может ударить по поверхности пластины, повреждая ее, соответственно приводя к проблеме считывания данных.
Решением этой проблемы стало использования тонкого, но твердого, алмазоподобного углеродного покрытия, как диска, так и считывающей головки. Также между ними был слой смазочного материала толщиной в 1 молекулу. Таким образом, если головка ударит по диску, их поверхности будут скользить по смазке и повреждения не будет.
Однако столкновения происходят нередко, а увеличить толщину слоя смазки нет возможности. Как же сделать его более долговечным? Ответом на этот вопрос стал перфторированный эфир. Эта субстанция отличается уникальным свойством — самовостановление. Из-за консистенции любые повреждения смазочного слоя сами затягиваются, также, как если провести ножом по поверхности меда.
CD/DVD
Совсем другие приемы химии и физики применяются в работе оптических дисков, схожесть которых с жесткими ограничивается вращением и наличием считывающей головки. Однако при их производстве вообще не используются магнитные элементы.
Среди различных CD и DVD дисков самыми химически интересными являются обладатели функции перезаписи. На таких дисках используется специальное покрытие с фазовым переходом. Самыми старыми и распространенными материалами для создания этого сплава являются германий, сурьма и теллур.
Покрытие с фазовым переходом обладает удивительным свойством — его атомы могут случайным образом формировать хаотичное состояние или же упорядоченное (хаотичное — разобранный кубик-рубик, упорядоченное — сложенный кубик-рубик). Хаотичные атомы выглядят тускло, а упорядоченные блестяще, что наталкивает на аналогию с нулями и единицами.
Привод использует лазер с тремя уровнями мощности для считывания и записи данных. Во время считывания лазер работает на самой малой мощности. Он фокусируется на слое с фазовым переходом, который может располагаться глубоко от поверхности диска. Оптический датчик распознает от каких атомов отскакивает луч, от тусклых или сияющих.
С процессом записи все немного сложнее. При высокой мощности лазер порождает повышение температуры, расплавляются определенные участки слоя, атомы переводятся в их хаотичное (тусклое) положение. При средней мощности лазера идет нагрев участков слоя, а не расплавление, и атомы выстраиваются в идеальное (сияющее) положение. После того, как лазер заканчивает запись, он возвращается к минимальной мощности и считывает данные на диске.
Химия мониторов
Современные LCD предоставляют нам возможность с меньшим вредом для зрения пользоваться более тонкими и менее энергоемкими мониторами.
Первый CRT монитор, представленный в 1927 году Фило Фарнсуортом, стал революционным открытием. Но такой монитор был очень энергозатратным и обладал рядом других недостатков.
Фило Фарнсуорт
Принцип работы CRT был таков — фосфорные точки, покрывающие всю поверхность стекла, светились за счет постоянного считывания их электронным лучем. Таким образом определенные точки подсвечивались и формировалось изображение. Однако если несколько раз в секунду обновлять всю точечную матрицу, то складывается иллюзия движения. Когда появились цветные мониторы, они были оснащены фосфорными точками трех цветов — красный, зеленый, синий. Химики нашли множество сплавов, которые позволяют производить свечение определенного цвета. Правильно смешанный, сульфид цинка с медью и алюминием дают зеленый цвет, а с серебром — синий. Для красного цвета нужен европий, кислород, и иттрий (найденный в лунных камнях).
Однако многие из этих сплавов крайне опасны для окружающей среды. Сульфид цинка, к примеру, очень токсичен. И выброшенные старые мониторы выделяют в грунтовые воды все эти жуткие вещества.
Помимо прочего, электронный луч требует большей мощности для работы. А также ограничивает возможность изменять размер монитора, поскольку необходимо тяжелое и толстое стекло, предотвращающее имплозию (взрыв, направленный не вне, а во внутрь). К тому же, между обновлениями точечных матриц свечение фосфорных точек будет распадаться, вызывая напряжение зрения пользователя из-за мерцания изображения.
Исследователи отметили в некоторых субстанциях необычное свойство — двойная точка кипения. Еще в 1889 году физик Отто Леман отметил, что эти «по видимому живые кристаллы» находятся в состоянии между жидким и кристаллическим. Однако истинная сила таких материалов была раскрыта лишь много десятилетий спустя.
В 1971 году Джеймс Фергасон использовал нематический эффект поля, при котором жидкие кристаллы стали взаимодействовать с электрическим полем. Так был создан первый LCD-монитор.
Этот тип дисплея устанавливает колонки жидких кристаллов между фильтрами, поляризованными под углом 90 градусов друг к другу.
Белый свет проходит через первый фильтр, после через слой жидких кристаллов и второй фильтр. Взаимодействуя с электрическим полем жидкие кристаллы меняют свою структуру, блокируя свет. Для получения цветного изображения используются красный, синий и зеленый фильтры над каждым пикселем.
Отсутствие необходимости в электронном луче значительно снижает энергозатраты монитора и снимает ограничение в его размерах.
Постскриптум
Вышеуказанные очерки примеров химии в компьютерном мире лишь слегка приоткрывают двери к пониманию всей важности этой науки в казалось бы физическом мире. Ни одно открытие не руководствуется лишь одной наукой. Лишь совмещая знания из нескольких областей можно добиться невероятных результатов. Потому крайне самонадеянно утверждать, что какая-то из наук важнее других. Все они важны и крайне необходимы для большего понимания мира, что нас окружает, и для его усовершенствования.
Химики шутят
На правах рекламы. Мы проводим сейчас уникальную акцию, которая позволит Вам получить серверы в NL/US на период до 4-х месяцев бесплатно: E5–2650v4/10GB DDR4/240GB SSD/1 Gbps — $29. Для получения бонуса читателям Geektimes достаточно оставить номер заказа в комментарии к этой публикации.
Недостаточно ресурсов? Платформы DELL R730XD c процессорами новейшего поколения стоимостью порядка 9000 евро доступны в аренду по невероятным ценам в Нидерландах и США, возможна организация локальной сети на скорости до 10 Гбит / с при аренде нескольких сразу: 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650 v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ — $249 / месяц.
