Chemie der Computerwelt

Schulwissenschaften werden oft in trockener und uninteressanter Form unterrichtet. Kinder lernen, sich mechanisch zu merken, um die Prüfung zu bestehen, und sehen keinen Zusammenhang zwischen Wissenschaft und Außenwelt.

Diese Worte gehören dem großen Physiker Stephen Hawking, der niemals aufgibt und an Wunder glaubt. Was aber zählt, sind nicht die Worte über Bildung, sondern der zweite Teil des Zitats über die Verbindung zwischen Wissenschaft und Außenwelt. Die Wissenschaft folgt uns jeden Tag. Es ist überall, ob wir es sehen oder nicht. Wir spüren seinen Einfluss unabhängig von unserer Religion, unserem Wohnort oder Beruf. Verdammt, die Wissenschaft war noch bevor der Begriff selbst geprägt wurde. Unser gesamtes Universum ist voll von Prozessen, die von verschiedenen Wissenschaften beschrieben werden. Zum größten Teil wird die Physik immer noch bevorzugt. Eine Wissenschaft, die Chaos Ordnung und Ordnung Chaos nennen kann. Und erklären Sie, warum es so ist und nicht anders. Ich möchte jedoch auf die Wissenschaft eingehen, die wie die Physik in unserem Leben präsent ist und einen unglaublichen Einfluss auf ihren Verlauf hat. Ich sehe keinen Sinn darin, die Intrige für eine lange Zeit aufrechtzuerhalten, da jeder, der bereits aus dem Titel dieses Aufsatzes stammt, verstanden hat, dass es um Chemie gehen würde. Aber nicht nur über die Chemie, sondern auch über die Wissenschaft, sondern darüber, wie sie ihre Stärke und Schönheit in der Computerwelt manifestiert.

Für die meisten von uns sind Erinnerungen an den Chemieunterricht in der Schule natürlich keine Nostalgie, sondern eine Erleichterung von der Erkenntnis, dass dieser Albtraum endlich vorbei ist. Man kann jedoch die Bedeutung dieser Wissenschaft nicht herunterspielen. Es war die Chemie, die es uns ermöglichte, schnellere und leistungsfähigere Computer zu erstellen, das Volumen der Festplatten zu erhöhen und sogar die Bildqualität auf unseren Monitoren unrealistisch zu machen.

Im Laufe der Zeit verbessert sich die Computerwelt rasant. Einer der sichtbarsten Aspekte dieses Prozesses ist die Erhöhung der Leistung und die Verringerung der Größe der von uns verwendeten Geräte. Zum Beispiel Mikrochips und damit Siliziumtransistoren. Und dieser ganze Prozess der Computerentwicklung ist ständig mit den unaufhaltsamen Gesetzen der Physik konfrontiert. Die stetige Zunahme der Anzahl von Transistoren in Mikrochips gibt ihren Schöpfern mehr Leistung und mehr Kopfschmerzen. Hier kommt die Chemie zum Einsatz.

Transistorchemie

Transistoren arbeiten aufgrund der Tatsache, dass die Halbleiter, aus denen sie bestehen (Silizium, Germanium), eine sehr ungewöhnliche und sehr nützliche Eigenschaft haben - sie leiten elektrischen Strom besser als Isolatoren (z. B. Glas), aber nicht so gut wie Leiter (z. B. Aluminium) )

Wissenschaftler können die Leitfähigkeit von Halbleitern manipulieren, indem sie sie durch Zugabe einer kleinen Menge Verunreinigungen erhöhen oder verringern (hierfür wird häufig Bor oder Arsen verwendet). Durch das „Verdünnen“ von Silizium mit anderen Substanzen ändern Wissenschaftler seine Eigenschaften. Es kann letztendlich als Isolator oder als Metall wirken. Dies wirkt sich direkt auf die Fähigkeit von Transistoren aus, ihre Funktionen auszuführen.



Silizium - der zur Herstellung von Transistoren verwendete Halbleiter - ist derzeit das weltweit am häufigsten verwendete Material. Es macht 27,7% der Masse der Erdkruste aus und ist der Hauptbestandteil von Sand.

Obwohl der erste Transistor, der 1947 in den Bell Labs hergestellt wurde, auf deutscher Basis hergestellt wurde, gibt es eine Reihe von Gründen, warum Silicon Valley nicht Germanieva heißt.


Bell Labs

Der häufigste Grund ist die Unzugänglichkeit und die hohen Kosten Deutschlands. Ein viel ernsthafteres Problem waren die chemischen Eigenschaften der Isolierform dieser Substanz namens Germaniumoxid. Es löst sich in Wasser auf, daher würde es beim Mahlen, das erforderlich ist, um mehrere Transistoren auf einem Mikrochip zu erzeugen, einfach „verschwinden“. Wenn Sie also ein Glas Wasser auf Ihren "deutschen" Laptop verschüttet hätten, hätten Sie es einfach weggeworfen.

Dies veranlasste die Wissenschaftler, Silizium zu verwenden, was wiederum einige Nachteile hat. Über sie etwas später.


Intel 4004

Ein kleiner Exkurs in die Geschichte. 1971 veröffentlichte Intel den ersten Intel 4004-Mikroprozessor mit 2.300 Transistoren. Jetzt enthält ein Mikroprozessor mehrere hundert Millionen Transistoren und ihre Anzahl wächst jedes Jahr.

Dies ist eine direkte Bestätigung von Moores Gesetz (Mitbegründer von Intel Gordon Moore), wonach sich die Anzahl der Transistoren auf einem einzelnen Chip alle zwei Jahre zweimal verdoppeln wird. Eine sehr kühne, aber unglaublich genaue Vorhersage. Jetzt werden Mikrochips jedoch immer kleiner. Ihre Leistung steigt in diesem Fall gerade aufgrund einer Erhöhung der Anzahl der Transistoren an. Und während die Chemie mit diesem Prozess fertig wird, "Größe weniger / Leistung mehr". Leider gibt es ein "Aber" - wenn die Komponenten des Mikrochips abnehmen, nimmt auch der Raum ab, in dem die Verbindungsdrähte der Transistoren mit dem Siliziumwafer verbunden sind. Grob gesagt, sollten die Transistoren und die Mikrochips selbst reduziert werden, und die Komponenten, die alle zu einem verbinden, sollten abnehmen. Und am Ende bleiben die Leistung und Größe der Mikrochips auf dem aktuellen Niveau, ohne zu überlegen, wie diese Komponenten reduziert werden können.

Die Lösung für dieses Problem für Intel war der Metallwechsel (Mikrochips werden kleiner und der Widerstand ist größer). Wenn ein Leiter nicht mehr wirksam ist, beginnen Sie, einen anderen zu verwenden. In den fernen 1980er Jahren wurde Wolfram verwendet, dann Anfang der 90er Jahre Titan, später Kobalt und Nickel, das heute verwendet wird. Jedes der neuen Metalle verbesserte die Mikrochips, da der Widerstandsgrad an den Verbindungspunkten abnahm.

Der ständige Übergang von einem Metall zum anderen bereitet den Herstellern von Mikrochips jedoch große Kopfschmerzen. Jedes Mal treten neue Schwierigkeiten auf. Nach längerer Verwendung von Wolfram (laut Intel ca. 5 Jahre) war es notwendig, die Ausrüstung für die Abscheidung (Lagerung) von Materialien zu wechseln. Wir mussten auch von der Erwärmung von Halbleiterwafern in speziellen Öfen auf die Verwendung von Gasentladungslampen umsteigen, da dies mit einer dauerhafteren Verbindung des neuen Materials mit Silizium einhergeht. Die Hauptaufgabe besteht nun darin, eine Methodik zu entwickeln, mit der Sie die erforderlichen Materialien ohne besondere finanzielle und zeitliche Kosten für den Hersteller ändern können.

Ein weiteres großes Problem war die Verbindung von Transistoren und der Platine selbst. Oder vielmehr der Wunsch, von Aluminium zu Kupfer zu wechseln. Unter dem Strich ist Kupfer ein besserer Leiter als Aluminium, aber seine Verwendung ist aufgrund seiner Korrosionsanfälligkeit unmöglich. Das Verwerfen dieses Materials ist jedoch dumm. Es ist besser zu helfen, das Problem der Korrosion zu lösen.


Titan

In den frühen 90er Jahren kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass eine dünne Titanschicht über Kupfer Korrosion verhindern kann. Dieses Problem wurde behoben, aber es gab noch eines. Aluminiumverbindungen könnten unter Verwendung von Standardlithographiemethoden auf den Mikroprozessor aufgebracht werden. Was kann man nicht über Kupfer sagen. Darüber hinaus sollte Kupfer angesichts des Auftretens bestimmter Wechselwirkungen zwischen Materialien, die Transistoren beschädigen können, nicht mit Silizium in Kontakt kommen.

Ein wichtiger Aspekt der kontinuierlichen Reduktion von Mikroprozessoren ist nicht nur die Materialkombination. Die Leistung der Gates des Transistors hängt direkt von der dünnen Isolierschicht aus Siliziumdioxid ab. Eine Abnahme der Transistoren hat auch zu einer Abnahme dieser Schicht geführt, deren Dicke nun im Bereich von 3 bis 4 Atomen liegt.

Der Nachteil dieser Dicke ist der Stromverlust. Das heißt, anstelle von Positionen wie Ein oder Aus erhalten wir die Positionen mit einem Leck ein und aus. Je kleiner die Mikroprozessoren werden, desto mehr Leistung benötigen sie für den normalen Betrieb.

Somit kann durch Ausschalten des Transistors ein Stromverlust nicht verhindert werden. Der Pentium-Mikrochip verbraucht etwa 30-40 Watt bei einem Verlust von 1 Watt. Jetzt werden für den normalen Betrieb moderner Mikroprozessoren etwa 100 Watt benötigt, so dass etwa die Hälfte des Stroms verloren geht. Und dieser Prozess geht auch mit einer starken Wärmeerzeugung einher. Das heißt, in Laptops können Sie keine 100-Watt-Chips verwenden. Die Obergrenze für diese Geräte beträgt 30-40 Watt.

Wenn also nicht alle oben genannten Probleme gelöst werden, wird Moores Gesetz Geschichte und der weitere Prozess der Evolution von Mikrochips wird sehr lange warten müssen.

DNA statt Silizium

Einige der Forscher denken darüber nach, Silizium vollständig durch etwas Fortgeschritteneres zu ersetzen. Es wird bereits Galliumarsenid verwendet, das gegenüber Silizium einige Vorteile hat. Erstens ist die Geschwindigkeit solcher Mikroprozessoren viel höher. Zweitens sind sie äußerst empfindlich gegenüber verschiedenen Funkwellen, was sie ideal für Mobiltelefone und drahtlose Internetverbindungskarten macht. Hohe Leistungsanforderungen haben jedoch die Verwendung von Galliumarsenidtransistoren ausschließlich in Kommunikationschips begrenzt.

Vergessen Sie auch nicht die Erforschung von Kohlenstoffnanoröhren. Die Verwendung von Hohlzylindern erfordert deutlich weniger Energie als aus Silizium.



Wenn Sie jedoch Ihr Denken leicht von Wissenschaft zu Science-Fiction verlagern, warum dann nicht DNA verwenden? Diese Option sieht fast unrealistisch aus. Es lohnt sich jedoch, einen Blick auf die möglichen Vorteile zu werfen, da dieses Unternehmen wie ein Kuchen wirkt, der immer noch die Kerze wert ist. Und genauer:

• DNA-Ketten codieren bereits Informationen, und Wissenschaftler können diese bereits ändern, indem sie bestimmte Segmente der Kette kopieren, löschen oder verschieben.
• Durch das Speichern von DNA-Daten wird die Verarbeitungsgeschwindigkeit erheblich erhöht und der Energieverbrauch (theoretisch) gesenkt.
• Auch das Material selbst (DNA) ist sehr erschwinglich, billig, wie Nanoröhren, unglaublich klein.

Schematisches Beispiel für das Problem des Handlungsreisenden

Die Idee, DNA in der Computertechnologie einzusetzen, ist nicht neu. Bereits 1994 verwendete Leonard Max Adleman, ein Informatik-Theoretiker an der University of Southern California, DNA, um das Problem der reisenden Verkäufer zu lösen (den optimalen Weg zwischen mehreren Städten zu finden, wobei jeder nur einmal besucht werden musste). Es hat mehrere Tage gedauert, sodass Sie in naher Zukunft nicht auf superschnelle DNA-Computer warten müssen.

Chemie HDD

Festplatten oder Festplatten sind eines der häufigsten Mittel zum Speichern und Verarbeiten von Daten, insbesondere auf Laptops und PCs. Auf der Festplatte werden Informationen auf starren Platten aus Aluminium oder Glas aufgezeichnet, die mit einer Schicht aus ferromagnetischem Material beschichtet sind.



Das Schreiben von Daten auf die Festplatte erfolgt durch Magnetisieren eines bestimmten Sektors der Festplatte. Genauer gesagt dreht sich die starre Platte mit hoher Geschwindigkeit, und der in einem Abstand von 10 nm befindliche Schreibkopf sendet ein magnetisches Wechselfeld, das den Magnetisierungsvektor der Domäne ändert, die sich unmittelbar unter dem Kopf befindet. Grob gesagt hat ein leerer Sektor (Domäne) keine Ladung und hat mit Informationen einen bestimmten Magnetvektor (Nord-Süd), dessen Kombination eine logische Folge 0 und 1 erzeugt, aufgrund derer die Informationen selbst gebildet werden.

Infolgedessen haben wir mehrere Elemente, die durch die Verwendung neuer chemischer Elemente verbessert werden können: starre Platten, Lese- / Schreibkopf. Versuche, die physikalische Größe der Platten zu verringern und gleichzeitig das Volumen der gespeicherten und verarbeiteten Informationen zu erhöhen, stehen vor neuen Problemen, die die Chemie lösen kann.



Derzeit werden HDD-Platten aus einer Legierung aus Kobalt, Chrom und Platin hergestellt. Die ersten beiden Materialien sind für die Erzeugung von Magnetismus erforderlich und nehmen etwa 50-60% der gesamten „Mischung“ ein. Platin verhindert eine unkontrollierte Änderung des Magnetvektors der Plattendomäne.

Wenn die Plattendicke abnimmt, tritt ein neues Problem auf. Jetzt werden magnetische Partikel innerhalb von 10 Nanometern gemessen. Da sie so klein sind, beginnen sie beim Erhitzen zu vibrieren. Platin ist immer noch in der Lage, diesen Effekt zu kompensieren, aber seine Möglichkeiten sind nicht unbegrenzt.

Mit einer Verringerung der Größe der Platte kann Platin daher eine unkontrollierte Änderung des Magnetvektors der Domäne nicht verhindern. Bisher wurde diese Größenbeschränkung nicht erreicht, aber die Forscher haben sich bereits die sehr ehrgeizige Aufgabe gestellt, sie von 10 Nanometern auf 5 zu reduzieren. Dies kann erreicht werden, indem die Temperatur, bei der die Schichten gebildet werden, geändert wird oder ein bestimmtes Material unter einer magnetischen Schicht verwendet wird. Durch die Verwendung von Nickel können Sie beispielsweise die Platte in eine größere Anzahl von Domänen aufteilen.

Ein noch schwerwiegenderes Problem besteht darin, dass bei typischen Scheiben magnetische Partikel nicht in identische Bereiche aufgeteilt werden, sondern dass ein Bereich größer als der andere sein kann. Einfach ausgedrückt wird das Ändern der Polarität des magnetischen Bereichs durch die Tatsache erschwert, dass wir die genaue Position des Bereichs aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung nicht kennen.

Die Chemie der Magnetscheibenköpfe hat sich ebenfalls weiterentwickelt.

Die Leseköpfe der Festplatten berühren während des Betriebs nicht die Oberfläche der Platten, da sich während der schnellen Rotation (normalerweise 5400 oder 7200 U / min) in der Nähe der Oberfläche eine Zwischenschicht des einströmenden Luftstroms bildet. Der Abstand zwischen Kopf und Scheibe beträgt bei modernen Scheiben etwa 10 nm. Ein so geringer Abstand ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, ein magnetisches Wechselfeld vom Kopf auf die Platte zu übertragen.



Die Leseköpfe bestanden zunächst aus Nickel (80%) und Eisen (20%). Später wurde das Verhältnis auf 45% / 55% geändert. Dies reichte jedoch nicht aus, um die Aufgabe zu lösen, da eine Legierung aus Kobalt und Eisen verwendet wurde.

Ein weiteres Problem ist die physische Beschädigung der Platte durch den Lese- / Schreibkopf. Wie bereits gesagt, dreht sich die Platte sehr schnell und erzeugt eine Vibration, und der Kopf befindet sich auf einem kritisch kleinen Niveau. Und manchmal kann der Kopf auf die Oberfläche der Platte treffen und diese beschädigen, was zu dem Problem des Lesens von Daten führt.

Die Lösung für dieses Problem war die Verwendung einer dünnen, aber harten, diamantartigen Kohlenstoffbeschichtung, sowohl einer Scheibe als auch eines Lesekopfes. Ebenfalls zwischen ihnen befand sich eine Schmiermittelschicht mit einer Dicke von 1 Molekül. Wenn der Kopf auf die Scheibe trifft, gleiten ihre Oberflächen über das Schmiermittel und es treten keine Schäden auf.



Es treten jedoch häufig Kollisionen auf, und es gibt keine Möglichkeit, die Dicke der Schmiermittelschicht zu erhöhen. Wie macht man es haltbarer? Die Antwort auf diese Frage war perfluorierter Äther. Diese Substanz hat eine einzigartige Eigenschaft - Selbstheilung. Aufgrund der Konsistenz verzögert sich jede Beschädigung der Schmierschicht selbst, als würde sie mit einem Messer auf der Oberfläche des Honigs getragen.

CD / DVD

Für den Betrieb von optischen Platten werden ganz unterschiedliche Methoden der Chemie und Physik verwendet, deren Ähnlichkeit mit harten durch die Rotation und das Vorhandensein eines Lesekopfs begrenzt ist. Bei ihrer Herstellung werden jedoch überhaupt keine magnetischen Elemente verwendet.



Unter den verschiedenen CDs und DVDs sind die Besitzer der Überspielfunktion chemisch am interessantesten. Diese Scheiben verwenden eine spezielle Phasenübergangsbeschichtung. Die ältesten und gebräuchlichsten Materialien zur Herstellung dieser Legierung sind Germanium, Antimon und Tellur.

Eine Beschichtung mit einem Phasenübergang hat eine erstaunliche Eigenschaft - ihre Atome können zufällig einen chaotischen oder einen geordneten Zustand bilden (chaotisch - zerlegter Zauberwürfel, geordneter - gefalteter Zauberwürfel). Chaotische Atome sehen langweilig aus, und geordnete sind brillant, was zu einer Analogie mit Nullen und Einsen führt.



Das Laufwerk verwendet einen Laser mit drei Leistungsstufen zum Lesen und Schreiben von Daten. Während des Lesens arbeitet der Laser mit der niedrigsten Leistung. Es konzentriert sich auf eine Phasenübergangsschicht, die tief von der Oberfläche der Platte entfernt sein kann. Der optische Sensor erkennt, von welchen Atomen der Strahl abprallt, von schwach oder strahlend.

Der Aufnahmevorgang ist etwas komplizierter. Bei hoher Leistung erzeugt der Laser einen Temperaturanstieg, bestimmte Abschnitte der Schicht schmelzen, Atome werden in ihre chaotische (dunkle) Position gebracht. Bei einer durchschnittlichen Laserleistung werden Abschnitte der Schicht eher erwärmt als geschmolzen, und die Atome richten sich in einer idealen (strahlenden) Position aus. Nachdem der Laser die Aufzeichnung beendet hat, kehrt er zur minimalen Leistung zurück und liest Daten auf der Festplatte.

Chemiemonitore

Moderne LCDs bieten uns die Möglichkeit, dünnere und weniger energieintensive Monitore mit weniger Sehschäden zu verwenden.



Der erste CRT-Monitor, der 1927 von Philo Farnsworth eingeführt wurde, war eine revolutionäre Entdeckung. Ein solcher Monitor war jedoch sehr energieaufwendig und hatte eine Reihe anderer Nachteile.


Philo Farnsworth

Das Funktionsprinzip der CRT war wie folgt: Phosphorpunkte, die die gesamte Oberfläche des Glases bedeckten, leuchteten aufgrund der ständigen Ablesung durch einen Elektronenstrahl. So wurden bestimmte Punkte hervorgehoben und ein Bild erzeugt. Wenn jedoch die gesamte Punktmatrix mehrmals pro Sekunde aktualisiert wird, entsteht die Illusion von Bewegung. Als Farbmonitore auftauchten, waren sie mit Leuchtstoffpunkten in drei Farben ausgestattet - Rot, Grün, Blau. Chemiker haben viele Legierungen gefunden, mit denen Sie einen Glanz einer bestimmten Farbe erzeugen können. Richtig gemischt ergibt Zinksulfid mit Kupfer und Aluminium eine grüne Farbe und Silber eine blaue Farbe. Für Rot werden Europium, Sauerstoff und Yttrium (in Mondsteinen enthalten) benötigt.

Viele dieser Legierungen sind jedoch äußerst umweltgefährdend. Zinksulfid ist zum Beispiel sehr giftig. Und die weggeworfenen alten Monitore geben all diese schrecklichen Substanzen ins Grundwasser ab.

Unter anderem benötigt der Elektronenstrahl mehr Leistung, um zu arbeiten. , , (, , ). , , - .



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