В знаменитом Королевском институте (The Royal Institution) британский физик и инженер Гарет Робертс представляет заключительную, пятую лекцию из цикла Рождественских лекций 1988 года. Профессор наглядно демонстрирует, как фундаментальные сдвиги в микроэлектронике, микроинженерии и химии полимеров радикально меняют наш повседневный быт. Главный сюжет лекции строится вокруг перехода от традиционных кремниевых технологий к принципиально новой эре — молекулярной электронике.
💎 Кремниевая революция: от песчинки до микрочипа 0:53
Когда Земля сформировалась около 4–5 миллиардов лет назад, тяжелые элементы погрузились к ее центру, а более легкие распределились у поверхности. В результате около 59% земной коры сегодня состоит из оксида кремния, а сам кремний является вторым по распространенности элементом, занимая порядка 29% массы коры. Этот элемент был открыт в 1824 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом. Сегодня кремний ассоциируется не с минералогией, а с интегральными микросхемами.
Современные кремниевые чипы обладают невероятно высокой плотностью элементов. По словам Гарета Робертса, на одном квадратном миллиметре кремниевой пластины можно разместить столько же мелких деталей, сколько содержится на двух полных уличных картах Лондона. Проектирование путей прохождения сигналов на таком чипе напоминает работу городского планировщика, распределяющего сети водопровода, газа и электричества.
Развитие технологий привело к колоссальному удешевлению компонентов:
- В 1950-х годах один транзистор стоил около 3 фунтов стерлингов.
- В конце 1980-х за те же 3 фунта можно приобрести более 30 000 транзисторов.
Это сделало микросхемы доступными буквально за копейки, обеспечив появление карманных калькуляторов. Лектор замечает, что на Дальнем Востоке работники торговли до сих пор комбинируют технологии: используют абаки (счеты) для быстрого сложения и вычитания, а электронные калькуляторы — для умножения и деления.
⚡ «Умная энергия» и моторы будущего 5:11
Долгое время фундаментальным ограничением кремниевых чипов оставалась их неспособность пропускать большие токи и выдерживать высокую мощность. Однако прорывным направлением стали силовые интегральные схемы, получившие название «умная энергия» (smart power). Они позволяют напрямую управлять мощными бытовыми приборами, в частности, электродвигателями.
Первый в мире работающий электродвигатель был изобретен Майклом Фарадеем именно в стенах Королевского института в 1821 году. Профессор Робертс демонстрирует реплику этого устройства, состоящую из ванночки с электропроводной ртутью, магнита и подвижного провода, который начинает вращаться при подаче тока под воздействием магнитных полей. Чуть позже появился его аналог — колесо Барлоу, где вместо провода вращается зубчатый диск.
Традиционные современные моторы ограничены частотой электросети в 50 Гц. Альтернативный принцип в 1840 году открыл Чарльз Уитстон, создав «электромагнитную машину». Ее суть заключается в импульсной подаче энергии на соленоиды, которые поочередно притягивают металлический ротор. Такой вентильный индукторный двигатель (switched reluctance motor) создает непрерывный крутящий момент и позволяет гибко регулировать частоту вращения.
Комиссар по патентам США еще в XIX веке прозорливо заявлял, что электричество призвано произвести величайшую революцию и со временем вытеснит пар. Однако реальное практическое воплощение этой идеи произошло только сейчас благодаря кремниевым чипам, способным контролируемо переключать цепи.
Профессор Робертс демонстрирует преимущества нового двигателя на примере кухонного миксера:
- Обычный миксер сильно шумит и работает только на очень высоких скоростях.
- Мотор Уитстона, разработанный совместно с Университетом Глазго, позволяет плавно менять скорость от нуля до 40 000 оборотов в минуту.
- Новый двигатель работает практически бесшумно — весь остаточный звук исходит исключительно от механического редуктора.
🔬 Кремниевая микроинженерия: новый взгляд на домашний быт 14:29
Помимо микроэлектроники, кремний открыл дорогу микроинженерии. Сегодня физики способны создавать механические детали — пружины и шестеренки — размером меньше человеческого волоса. В основе этого процесса лежит анизотропное химическое травление кремния. При использовании определенных химикатов (например, гидроксида калия) кремний разрушается в вертикальном направлении значительно быстрее, чем в латеральном. За счет этого в структуре кристалла вытравливаются идеальные перевернутые пирамиды и полости с точностью до 2 микрометров в минуту.
Эта технология позволяет полностью переосмыслить конструкцию обычного домашнего газового счетчика. Механические счетчики практически не изменились с 1815 года; они используют громоздкие подвижные диафрагмы, из-за чего приборы приходится прятать под лестницу или в гараж. Кроме того, они измеряют только объем потока, но не учитывают, что плотность газа и его калорийность меняются в зависимости от месторождения.
Решением становится микроинженерный кремниевый датчик потока. Он состоит из:
- Кремниевой подложки микроскопического размера.
- Подвижной консольной балки (кантилевера) длиной около 200 микрометров и толщиной 20 микрометров.
- Золотых электродов, фиксирующих изменение электрической емкости при изгибе балки под давлением газа.
Такой датчик заставляет балку вибрировать с разной частотой в зависимости от плотности газовой смеси. Прототип устройства вместе со всей электроникой в ближайшем будущем уменьшится до размеров стандартного чипа и сможет монтироваться внутрь обычной газовой трубы диаметром всего 1 дюйм. В ходе эксперимента со школьником по имени Питер профессор доказывает, что датчик мгновенно реагирует на малейшие изменения воздушного потока и полностью блокирует сигнал, если перекрыть трубу картонкой.
🖥️ Пятое поколение ЭВМ и суперкомпьютеры на ладони 25:09
Эволюция вычислительной техники прошла путь от разностной машины Чарльза Бэббиджа, не имевшей памяти, до архитектуры фон Неймана с последовательной обработкой данных. Главная проблема классических компьютеров — «бутылочное горлышко» фон Неймана, когда данные постоянно пересылаются между процессором и памятью, замедляя работу.
Пятое поколение компьютеров полагается на параллельную архитектуру. Профессор демонстрирует «транспьютер» — полноценный компьютер на одном чипе, содержащий собственный процессор, память и каналы связи. Один такой чип по вычислительной мощности эквивалентен 20 персональным компьютерам BBC Micro (каждый из которых в то время оснащался 32 килобайтами памяти).
Соединив вместе 32 транспьютерные платы, инженеры создали настольный суперкомпьютер с колоссальной производительностью. Две такие системы способны заменить самые большие ЭВМ Великобритании того времени. В реальном времени эта машина способна рассчитывать сложнейшие физические уравнения отражения волн от мембраны барабана — задача, на которую у обычного компьютера ушли бы недели.
В домашнем хозяйстве такие мощности пригодятся для визуализации интерьеров:
- Метод радиационного переноса (radiosity): позволяет архитекторам рассчитывать распределение диффузного света в комнате, оценивать взаимное влияние цветных стен на ковровые покрытия и мгновенно менять положение ламп.
- Визуализация кухни: суперкомпьютер за секунды строит трехмерную модель помещения с реалистичными тенями от нескольких источников света.
🎨 Цифровая колеровка и «умная» химия в интерьере
✅ FAKT: Длина волны света не имеет однозначного линейного соответствия с нашими цветовыми ощущениями. Например, в спектре красный и зеленый цвета находятся далеко друг от друга, а фиолетовый — ближе к красному, хотя по длине волны это не так. При смешивании трех первичных цветов (красного, зеленого и синего) на люминофорном экране телевизора получается белый цвет — это аддитивная модель.
Однако для красок действуют субтрактивные (вычитательные) законы. Чтобы краска казалась желтой, она должна поглощать синюю часть спектра белого света, отражая только зеленый и красный компоненты.
Профессор Робертс вместе с ассистентом Гордоном демонстрирует уникальный для Великобритании прибор — автоматический спектрометр, соединенный со смесителем красок. В рамках эксперимента приглашают зрителя Роберта в фиолетовом свитере. Датчик мгновенно анализирует спектр отражения ткани, компьютер рассчитывает точные процентные доли пигментов, и автоматическая система за пару минут создает жидкую краску, идеально соответствующую цвету одежды.
Лектор также демонстрирует последние достижения химической индустрии:
- Тиксотропная краска: благодаря добавлению особых соединений — хелатов — молекулы образуют слабые водородно-кислородные связи. В состоянии покоя краска ведет себя как густое желе и не разливается, но при воздействии силы (нажатии кистью) связи рвутся, вещество мгновенно теряет вязкость и легко ложится на поверхность. Как только сила перестает действовать, краска снова застывает.
- Дифференциальное окрашивание текстиля: ковры и шторы ткутся из смеси нитей разных типов. Одни волокна притягивают катионные красители, другие — анионные. При погружении ткани в общий чан со смесью черной, красной и синей красок волокна избирательно впитывают нужный пигмент, формируя сложный узор за один цикл окрашивания.
🧬 Молекулярная электроника: когда органика побеждает кремний 39:22
По утверждению Гарета Робертса, кремниевые технологии постепенно приближаются к своему физическому пределу, и на смену им грядет молекулярная электроника, использующая органические молекулы.
Первый пример — фотохромные красители, разработанные в Университете Уэльса в Кардиффе. Под воздействием ультрафиолетового излучения молекулы меняют свою структуру, оставляя четкий цветной след на поверхности (например, текст или изображение). Стереть эту информацию можно обычным белым светом. Лектор полагает, что этот принцип ляжет в основу принципиально новых систем хранения данных, электронной бумаги и оптических магнитофонов.
Второй пример — пьезоэлектрические полимеры, чувствительные к давлению и изгибу. Зрительница Сара демонстрирует работу коврика безопасности: при наступлении на него полимер генерирует электрический заряд и активирует сигнализацию. При изгибе другой полимерной ленты на экране компьютера мгновенно появляется текстовое сообщение, генерируемое самим материалом.
Третья инновация — селективный датчик дыма и водорода для предотвращения пожаров. С помощью аппарата Киппа профессор получает водород и направляет его на сенсор, который объединяет кремниевую подложку с нанесенным на нее слоем специально синтезированных органических молекул. Молекулы можно «настраивать» на избирательный отклик к конкретному газу (водороду или метану), что обеспечивает раннее предупреждение о возгорании задолго до появления густого дыма.
📺 Жидкие кристаллы и телевизоры, которые можно повесить на стену 44:35
Жидкие кристаллы были открыты около века назад Отто Леманом. Это удивительные органические молекулы, обладающие одновременно свойствами жидкости и твердого тела и способные менять плоскость поляризации света под воздействием электрического напряжения. Профессор демонстрирует этот эффект, подавая скромное напряжение в 1,5 В на жидкокристаллическую ячейку, зажатую между двумя поляроидами — на экране сразу проступает скрытое изображение уэльской овчарки.
В современных портативных телевизорах используются тысячи таких жидкокристаллических пикселей. Однако обычные жидкие кристаллы быстро теряют заряд, поэтому позади каждого пикселя приходится монтировать микроскопический тонкопленочный транзистор (TFT). Процесс их производства чрезвычайно сложен и дорог, что, по мнению Робертса, делает невозможным создание плоских экранов размером больше одного фута (около 30 см) на базе текущей технологии.
Выходом является изобретение ферроэлектрических жидких кристаллов (FLC). Они обладают важными преимуществами:
- Эффект памяти: при подаче короткого импульса напряжения молекулы переключаются и остаются в этом состоянии даже после отключения питания. Чтобы вернуть их в исходное состояние, нужен импульс противоположной полярности.
- Высокое быстродействие: они переключаются примерно в 100 times быстрее стандартных жидких кристаллов.
Ферроэлектрические жидкие кристаллы избавляют от необходимости наносить миллионы транзисторов — достаточно иметь два идеально плоских стекла с простым паттерном электродов. Профессор Робертс прогнозирует, что именно эта технология позволит создать метровые плоские панели с кинематографическим соотношением сторон 16:9 или 5:3, которые можно будет просто повесить на стену, как картину.
🧠 На пороге супермолекулярных компьютеров 50:14
Анализируя логарифмическую зависимость размера элементов микросхем от времени, физики отмечают стабильный тренд на миниатюризацию. Во времена рождения лектора господствовали вакуумные лампы размером около 10 см; в его студенческие годы появились транзисторы миллиметрового масштаба; в начале 1980-х годов интегральные схемы уменьшили элементы до 10 микрометров, а технология VLSI приблизила их к 1 микрометру. Экстраполируя этот график, Гарет Робертс утверждает, что к моменту его выхода на пенсию переключающие элементы достигнут размеров в несколько нанометров, то есть масштаба отдельных молекул.
Робертс выражает скепсис по поводу идей некоторых ученых использовать готовые биологические молекулы для ускорения прогресса. По его мнению, человечество должно не слепо копировать природу, а учиться у нее принципам самосборки, создавая при этом более стабильные синтетические супермолекулы. Интересный исторический факт: Маргарет Робертс (будущая премьер-министр Маргарет Тэтчер) в годы своей научной работы в Оксфорде занималась исследованием именно таких мономолекулярных ультратонких пленок.
Супермолекулярные компьютеры будущего, работающие на принципах параллельных нейронных сетей, станут полноценными персональными ассистентами, способными понимать человеческую речь на любом языке (будь то валлийский, английский или японский). Тем не менее, ученый подчеркивает, что машины не будут доминировать над человеком. Человеческий мозг устроен невероятно сложно: он содержит от 10 до 100 миллиардов нейронов, каждый из которых связан с 10 000 других, и все они вычисляют параллельно. Мощнейший параллельный процессор внутри нашей головы необходим хотя бы для того, чтобы оценить шедевр Клода Моне или посмеяться над мультфильмом. Искусственный интеллект поможет людям в быту, но одной вещи у него точно никогда не появится — чувства юмора.
В качестве зрелищного финала лекций профессор демонстрирует «симбиоз наук» в быту будущего:
- Полностью стеклянную кухонную плиту, на которой прямо перед объективом камеры жарится яичница.
- Люминесцентные радиочастотные лампы, которые без проводов меняют интенсивность свечения в такт музыке из магнитофона.
- Психоделический жидкокристаллический дисплей, меняющий свои цвета и узоры под воздействием звуковых колебаний финала музыкальной пьесы.
Завершая выступление, Гарет Робертс напоминает, что в марте 1799 года граф Румфорд заложил основы Королевского института с четкой уставной целью — проводить лекции и эксперименты, демонстрирующие применение науки для общих целей человеческой жизни. Профессор выразил надежду, что ему удалось показать зрителям «науку с человеческим лицом».
