Chimie du monde informatique

Les sciences scolaires sont souvent enseignées sous une forme sèche et sans intérêt. Les enfants apprennent à mémoriser mécaniquement pour réussir l'examen et ne voient pas le lien entre la science et le monde extérieur.

Ces mots appartiennent au grand physicien, qui n'abandonne jamais et croit aux miracles, Stephen Hawking. Mais ce qui importe n'est pas les mots sur l'éducation, mais la deuxième partie de la citation sur le lien entre la science et le monde extérieur. La science nous suit tous les jours. Il est partout, que nous le voyions ou non. Nous ressentons son influence quels que soient notre religion, notre lieu de résidence ou notre occupation. Merde, la science était avant même que le terme lui-même ne soit inventé. Notre Univers entier est plein de processus décrits par diverses sciences. Pour la plupart, la préférence est toujours donnée à la physique. Une science capable d'appeler l'ordre du chaos et l'ordre du chaos. Et expliquez pourquoi il en est ainsi, et non autrement. Cependant, je voudrais aborder la science qui, comme la physique, est présente dans notre vie, ayant une influence incroyable sur son cours. Je ne vois pas l'intérêt de garder l'intrigue pendant longtemps, car tout le monde déjà dans le titre de cet essai a compris qu'il s'agirait de chimie. Mais pas seulement sur la chimie, comme sur la science, mais sur la façon dont elle manifeste sa force et sa beauté dans le monde informatique.

Bien sûr, pour la plupart d'entre nous, les souvenirs des cours de chimie scolaire ne sont pas de la nostalgie, mais plutôt un soulagement de la prise de conscience que ce cauchemar est enfin terminé. Cependant, on ne peut pas minimiser l'importance de cette science. C'est la chimie qui nous a permis de créer des ordinateurs plus rapides et plus puissants, d'augmenter le volume des disques durs et même de rendre la qualité d'image de nos moniteurs irréaliste.

Au fil du temps, le monde informatique s'améliore rapidement. L'un des aspects les plus visibles de ce processus est l'augmentation de la puissance et la réduction de la taille des appareils que nous utilisons. Par exemple, des micropuces, et donc des transistors en silicium. Et tout ce processus d'évolution informatique est constamment confronté aux lois inexorables de la physique. L'augmentation constante du nombre de transistors en micropuces donne plus de puissance et plus de maux de tête à leurs créateurs. C'est là que la chimie vient à la rescousse.

Chimie des transistors

Les transistors fonctionnent du fait que les semi-conducteurs dont ils sont constitués (silicium, germanium) ont une propriété très inhabituelle et très utile - ils conduisent mieux le courant électrique que les isolants (verre, par exemple), mais pas aussi bons que les conducteurs (aluminium, par exemple) )

Les scientifiques peuvent manipuler la conductivité des semi-conducteurs, l'augmenter ou la diminuer en ajoutant une petite quantité d'impuretés (le bore ou l'arsenic est souvent utilisé pour cela). En «diluant» le silicium avec d'autres substances, les scientifiques modifient ses propriétés. Il peut finalement agir comme isolant ou comme métal. Ce qui affecte directement la capacité des transistors à remplir leurs fonctions.



Le silicium - le semi-conducteur utilisé pour fabriquer les transistors - est actuellement le matériau le plus courant au monde. Il représente 27,7% de la masse de la croûte terrestre et est le principal composant du sable.

Bien que le premier transistor, créé aux Bell Labs en 1947, ait été fabriqué sur la base de l'Allemagne, il existe un certain nombre de raisons pour lesquelles la Silicon Valley ne s'appelle pas Germanieva.


Bell labs

La raison la plus courante est l'inaccessibilité et le coût élevé de l'Allemagne. Un problème beaucoup plus grave était les propriétés chimiques de la forme isolante de cette substance appelée oxyde de germanium. Il se dissout dans l'eau, donc, dans le processus de broyage nécessaire pour créer plusieurs transistors sur une même puce, il "disparaîtrait" simplement. Ainsi, après avoir renversé un verre d'eau sur votre ordinateur portable "allemand", vous l'auriez simplement jeté.

C'est ce qui a incité les scientifiques à utiliser du silicium, qui, à son tour, présente également certains inconvénients. À leur sujet un peu plus tard.


Intel 4004

Une petite digression dans l'histoire. En 1971, Intel a sorti le premier microprocesseur Intel 4004, qui contenait 2 300 transistors. Aujourd'hui, un microprocesseur contient plusieurs centaines de millions de transistors et leur nombre augmente chaque année.

C'est une confirmation directe de la loi de Moore (co-fondateur d'Intel Gordon Moore), qui stipule que le nombre de transistors sur une seule puce doublera deux fois tous les 2 ans. Une prédiction très audacieuse mais incroyablement précise. Cependant, les micropuces deviennent de plus en plus petites. Leur puissance dans ce cas augmente précisément du fait d'une augmentation du nombre de transistors. Et tandis que la chimie fait face à ce processus "taille moins / puissance plus". Malheureusement, il y a un «Mais» - lorsque les composants de la micropuce diminuent, l'espace où les fils de connexion des transistors sont connectés à la tranche de silicium diminue également. En gros, en réduisant les transistors et les micropuces eux-mêmes, les composants se connectant tous en un devraient diminuer. Et au final, sans trouver comment réduire ces composants, la puissance et la taille des micropuces resteront au niveau actuel.

La solution à ce problème pour Intel était le changement de métal (les micropuces deviennent plus petites et la résistance est plus grande). Lorsqu'un conducteur cesse d'être efficace, commencez à en utiliser un autre. Dans les années 80 lointaines, le tungstène a été utilisé, puis le titane au début des années 90, plus tard le cobalt et le nickel, qui est maintenant utilisé. Chacun des nouveaux métaux a amélioré les micropuces, car le niveau de résistance aux points de connexion a diminué.

Cependant, la transition constante d'un métal à un autre entraîne beaucoup de maux de tête pour les fabricants de micropuces. Chaque fois de nouvelles difficultés surgissent. Après une utilisation prolongée du tungstène (environ 5 ans, selon Intel), il a fallu changer d'équipement pour le dépôt (stockage) des matériaux. Nous avons également dû passer du chauffage des plaquettes semi-conductrices dans des fours spéciaux à l'utilisation de lampes à décharge, car cela accompagne une connexion plus durable du nouveau matériau avec du silicium. La tâche principale est maintenant de développer une méthodologie qui vous permette de changer les matériaux nécessaires sans coûts spéciaux pour le fabricant, à la fois financiers et temporels.

Un autre gros problème était la connexion des transistors et la carte elle-même. Ou plutôt l'envie de passer de l'aluminium au cuivre. L'essentiel est que le cuivre est un meilleur conducteur que l'aluminium, mais son utilisation est impossible en raison de sa sensibilité à la corrosion. Cependant, jeter ce matériau est stupide, il est préférable d'aider à résoudre le problème de la corrosion.


Titane

Et donc, au début des années 90, les scientifiques sont arrivés à la conclusion qu'une fine couche de titane sur du cuivre peut empêcher la corrosion. Ce problème a été résolu, mais il y en avait un de plus. Des composés d'aluminium pourraient être appliqués au microprocesseur en utilisant des méthodes lithographiques standard. Ce que l'on ne peut pas dire du cuivre. De plus, le cuivre ne doit pas entrer en contact avec le silicium compte tenu de l'occurrence de certaines interactions entre matériaux pouvant endommager les transistors.

Un aspect important de la réduction continue des microprocesseurs n'est pas seulement la combinaison de matériaux. Les performances des grilles du transistor dépendent directement de la fine couche isolante de dioxyde de silicium. Une diminution des transistors a également conduit à une diminution de cette couche, dont l'épaisseur varie désormais de 3 à 4 atomes.

L'inconvénient de cette épaisseur est la fuite de courant. Autrement dit, au lieu de positions telles que l'activation ou la désactivation, nous activons et désactivons les positions avec une fuite. Plus les microprocesseurs sont petits, plus ils nécessitent de puissance pour un fonctionnement normal.

Ainsi, en bloquant le transistor, la perte de courant ne peut pas être évitée. La puce Pentium consomme environ 30 à 40 watts avec une perte de 1 watt. Maintenant, environ 100 watts sont nécessaires pour le fonctionnement normal des microprocesseurs modernes et, par conséquent, environ la moitié du courant est perdue. Et ce processus accompagne également une forte génération de chaleur. Autrement dit, dans les ordinateurs portables, vous ne pouvez pas utiliser de puces de 100 watts, le plafond de ces appareils est de 30 à 40 watts.

Ainsi, si tous les problèmes ci-dessus ne sont pas résolus, la loi de Moore deviendra historique et le processus ultérieur d’évolution des micropuces devra attendre très longtemps.

ADN au lieu de silicium

Certains chercheurs envisagent de remplacer complètement le silicium par quelque chose de plus avancé. Déjà, l'arséniure de gallium est utilisé, ce qui présente certains avantages par rapport au silicium. Premièrement, la vitesse de tels microprocesseurs est beaucoup plus élevée. Deuxièmement, ils sont extrêmement sensibles aux différentes ondes radio, ce qui les rend idéaux pour les téléphones mobiles et les cartes de connexion Internet sans fil. Cependant, des exigences de puissance élevées ont limité l'utilisation de transistors à base d'arséniure de gallium exclusivement dans les puces de communication.

N'oubliez pas non plus la recherche sur les nanotubes de carbone. L'utilisation de cylindres creux nécessitera beaucoup moins d'énergie que le silicium.



Cependant, si vous déplacez légèrement votre pensée de la science à la science-fiction, alors pourquoi ne pas utiliser l'ADN. Cette option semble presque irréaliste. Cependant, il vaut la peine de jeter un coup d'œil aux avantages possibles, car cette entreprise semble être un gâteau, qui vaut toujours la chandelle. Ou plutôt:

• Les chaînes d'ADN codent déjà des informations et les scientifiques sont déjà en mesure de les modifier en copiant, supprimant ou déplaçant certains segments de la chaîne;
• le stockage de données sur l'ADN augmentera considérablement la vitesse de leur traitement et réduira la consommation d'énergie (théoriquement);
• le matériau lui-même (ADN) est également très abordable, bon marché, comme les nanotubes, incroyablement petit.

Exemple schématique du problème du voyageur de commerce

L'idée d'utiliser l'ADN dans la technologie informatique n'est pas nouvelle. En 1994, Leonard Max Adleman, théoricien de l'informatique à l'Université de Californie du Sud, a utilisé l'ADN pour résoudre le problème des vendeurs ambulants (trouver le chemin optimal entre plusieurs villes à condition de ne visiter chacune qu'une seule fois). Cela a pris plusieurs jours, il n'est donc pas nécessaire d'attendre des ordinateurs ADN ultra-rapides dans un avenir proche.

Chimie HDD

Les disques durs ou les disques durs sont l'un des moyens les plus courants de stockage et de traitement des données, en particulier sur les ordinateurs portables et les ordinateurs personnels. Sur le disque dur, les informations sont enregistrées sur des plaques rigides en aluminium ou en verre recouvertes d'une couche de matériau ferromagnétique.



Le processus d'écriture de données sur le disque dur se produit en magnétisant un secteur particulier du disque dur. Plus précisément, la plaque rigide tourne à grande vitesse, et la tête d'écriture, située à une distance de 10 nm, transmet un champ magnétique alternatif qui modifie le vecteur d'aimantation du domaine, qui se trouve juste en dessous de la tête. En gros, un secteur vide (domaine) est gratuit et rempli d'informations possède un certain vecteur magnétique (nord-sud), dont la combinaison crée une séquence logique 0 et 1, grâce à laquelle l'information elle-même est formée.

En conséquence, nous avons plusieurs éléments qui peuvent être améliorés grâce à l'utilisation de nouveaux éléments chimiques: plaques rigides, tête de lecture-écriture. Les tentatives de réduire la taille physique des plaques tout en augmentant le volume d'informations stockées et traitées sont confrontées à de nouveaux problèmes que la chimie peut résoudre.



Actuellement, les plaques HDD sont fabriquées à partir d'un alliage de cobalt, de chrome et de platine. Les deux premiers matériaux sont nécessaires pour créer le magnétisme et occupent environ 50 à 60% du «mélange» total. Le platine empêche les changements incontrôlés du vecteur magnétique du domaine de la plaque.

Lorsque l'épaisseur de la plaque diminue, un nouveau problème se pose. Désormais, les particules magnétiques sont mesurées à moins de 10 nanomètres. Étant si petits, ils commencent à vibrer pendant le chauffage. Le platine est toujours en mesure de compenser cet effet, mais ses possibilités ne sont pas illimitées.

Ainsi, avec une diminution de la taille de la plaque, le platine ne pourra pas empêcher un changement incontrôlé du vecteur magnétique du domaine. Jusqu'à présent, cette limite de taille n'a pas été atteinte, mais les chercheurs se sont déjà fixé la tâche très ambitieuse de la réduire de 10 nanomètres à 5. Il est possible d'y parvenir en modifiant la température à laquelle les couches sont formées ou en utilisant un certain matériau sous une couche magnétique. Par exemple, l'utilisation de nickel vous permet de diviser la plaque en un plus grand nombre de domaines.

Un problème encore plus grave est que sur les disques typiques, les particules magnétiques ne se divisent pas en régions identiques, une région peut être plus grande que l'autre. Autrement dit, changer la polarité de la région magnétique est compliqué par le fait que nous ne connaissons pas la position exacte de la région en raison de la distribution inégale.

La chimie des têtes de disques magnétiques a également évolué.

Les têtes de lecture des disques durs ne touchent pas la surface des plaques pendant le fonctionnement en raison de la couche intermédiaire du flux d'air entrant qui se forme près de la surface lors d'une rotation rapide (généralement 5400 ou 7200 tr / min). La distance entre la tête et le disque dans les disques modernes est d'environ 10 nm. Une si petite distance est due à la nécessité de transférer un champ magnétique alternatif de la tête à la plaque.



Initialement, les têtes de lecture étaient en nickel (80%) et en fer (20%). Plus tard, le ratio est passé à 45% / 55%. Cependant, cela n'a pas été suffisant pour résoudre la tâche, car ils ont commencé à utiliser un alliage de cobalt et de fer.

Un autre problème est l'endommagement physique de la plaque par la tête de lecture-écriture. Comme nous l'avons déjà dit, la plaque tourne très rapidement, créant une vibration, et la tête est située à une insistance extrêmement faible. Et parfois, la tête peut heurter la surface de la plaque, l'endommager, ce qui entraîne en conséquence le problème de lecture des données.

La solution à ce problème était l'utilisation d'un revêtement de carbone mince mais dur, semblable à du diamant, à la fois un disque et une tête de lecture. Il y avait également entre eux une couche de lubrifiant d'une épaisseur de 1 molécule. Ainsi, si la tête heurte le disque, leurs surfaces glisseront sur le lubrifiant et il n'y aura aucun dommage.



Cependant, des collisions se produisent souvent et il n'y a aucun moyen d'augmenter l'épaisseur de la couche de lubrifiant. Comment le rendre plus durable? La réponse à cette question était l'éther perfluoré. Cette substance a une propriété unique - l'auto-guérison. En raison de la consistance, tout dommage à la couche lubrifiante elle-même est retardé, tout comme si elle devait être portée avec un couteau sur la surface du miel.

CD / DVD

Des méthodes de chimie et de physique très différentes sont utilisées dans le fonctionnement des disques optiques, dont la similitude avec les disques durs est limitée par la rotation et la présence d'une tête de lecture. Cependant, leur production n'utilise pas du tout d'éléments magnétiques.



Parmi les différents CD et DVD, les plus intéressants chimiquement sont les propriétaires de la fonction de doublage. Ces disques utilisent un revêtement spécial de transition de phase. Les matériaux les plus anciens et les plus courants pour créer cet alliage sont le germanium, l'antimoine et le tellure.

Un revêtement avec une transition de phase a une propriété étonnante - ses atomes peuvent former aléatoirement un état chaotique ou ordonné (chaotique - cube de rubik désassemblé, ordonné - cube de rubik plié). Les atomes chaotiques semblent ternes, et les ordonnés sont brillants, ce qui conduit à une analogie avec les zéros et les uns.



Le lecteur utilise un laser à trois niveaux de puissance pour lire et écrire des données. Pendant la lecture, le laser fonctionne à la puissance la plus faible. Il se concentre sur une couche de transition de phase qui peut être située profondément à partir de la surface du disque. Le capteur optique reconnaît à partir de quels atomes le rayon rebondit, de faible ou rayonnant.

Le processus d'enregistrement est un peu plus compliqué. À haute puissance, le laser génère une augmentation de la température, certaines sections de la couche fondent, les atomes sont transférés dans leur position chaotique (dim). À une puissance laser moyenne, les sections de la couche sont chauffées plutôt que fondues et les atomes s'alignent dans une position idéale (rayonnante). Une fois l'enregistrement terminé, le laser revient à sa puissance minimale et lit les données sur le disque.

Moniteurs de chimie

Les écrans LCD modernes nous permettent d'utiliser des moniteurs plus minces et moins énergivores avec moins de dommages à la vision.



Le premier moniteur CRT, introduit en 1927 par Philo Farnsworth, était une découverte révolutionnaire. Mais un tel moniteur consommait beaucoup d'énergie et présentait un certain nombre d'autres inconvénients.


Philo Farnsworth

Le principe de fonctionnement du CRT était le suivant: des points de phosphore couvrant toute la surface du verre brillaient en raison de leur lecture constante par un faisceau d'électrons. Ainsi, certains points ont été mis en évidence et une image s'est formée. Cependant, si la matrice de points entière est mise à jour plusieurs fois par seconde, l'illusion de mouvement se développe. Lorsque les moniteurs couleur sont apparus, ils étaient équipés de points phosphorescents en trois couleurs - rouge, vert, bleu. Les chimistes ont trouvé de nombreux alliages qui vous permettent de produire une lueur d'une certaine couleur. Correctement mélangé, le sulfure de zinc avec du cuivre et de l'aluminium donne une couleur verte et l'argent avec une couleur bleue. Pour le rouge, l'europium, l'oxygène et l'yttrium (que l'on trouve dans les pierres de lune) sont nécessaires.

Cependant, bon nombre de ces alliages sont extrêmement dangereux pour l'environnement. Le sulfure de zinc, par exemple, est très toxique. Et les vieux moniteurs jetés rejettent toutes ces substances terribles dans les eaux souterraines.

Entre autres choses, le faisceau d'électrons nécessite plus de puissance pour fonctionner. , , (, , ). , , - .



— . 1889 , « » . .

1971 , . LCD-.

Ce type d'affichage place des colonnes à cristaux liquides entre des filtres polarisés à 90 degrés les uns par rapport aux autres.

La lumière blanche passe à travers le premier filtre, puis à travers une couche de cristaux liquides et un second filtre. Interagissant avec le champ électrique, les cristaux liquides changent de structure, bloquant la lumière. Pour obtenir une image couleur, des filtres rouges, bleus et verts au-dessus de chaque pixel sont utilisés.

L'absence de besoin d'un faisceau d'électrons réduit considérablement la consommation d'énergie du moniteur et supprime la limitation de sa taille.

Postscript

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