Kimia dari dunia komputer

Sains sekolah sering diajarkan dalam bentuk yang kering dan tidak menarik. Anak-anak belajar menghafal secara mekanis untuk lulus ujian, dan tidak melihat hubungan sains dengan dunia luar.

Kata-kata ini milik ahli fisika besar, yang tidak pernah menyerah dan percaya pada mukjizat, Stephen Hawking. Tetapi yang penting bukanlah kata-kata tentang pendidikan, tetapi bagian kedua dari kutipan tentang hubungan antara sains dan dunia luar. Sains mengikuti kita setiap hari. Itu ada di mana-mana, apakah kita melihatnya atau tidak. Kami merasakan pengaruhnya terlepas dari agama, tempat tinggal, atau pekerjaan kami. Sialan, sains bahkan sebelum istilah itu sendiri diciptakan. Seluruh Alam Semesta kita penuh dengan proses yang dijelaskan oleh berbagai ilmu. Sebagian besar, preferensi masih diberikan pada fisika. Ilmu yang mampu menyebut chaos order, dan order chaos. Dan jelaskan mengapa demikian, dan bukan sebaliknya. Namun, saya ingin menyentuh sains, yang, seperti fisika, hadir dalam kehidupan kita, memiliki pengaruh yang luar biasa pada jalurnya. Saya tidak melihat gunanya mempertahankan intrik untuk waktu yang lama, karena semua orang yang sudah dari judul esai ini mengerti bahwa itu adalah tentang kimia. Tetapi tidak hanya tentang kimia, seperti tentang sains, tetapi tentang bagaimana ia memanifestasikan kekuatan dan keindahannya di dunia komputer.

Tentu saja, bagi sebagian besar dari kita, kenangan pelajaran kimia sekolah bukanlah nostalgia, melainkan lega dari kesadaran bahwa mimpi buruk ini akhirnya berakhir. Namun, orang tidak bisa mengecilkan arti penting ilmu ini. Itu adalah kimia yang memungkinkan kami untuk membuat komputer yang lebih cepat dan lebih kuat, meningkatkan volume hard drive, dan bahkan membawa kualitas gambar pada monitor kami menjadi tidak realistis.

Seiring waktu, dunia komputer meningkat dengan cepat. Salah satu aspek yang paling terlihat dari proses ini adalah peningkatan daya dan pengurangan ukuran perangkat yang kita gunakan. Misalnya, microchip, dan karenanya transistor silikon. Dan seluruh proses evolusi komputer ini terus-menerus dihadapkan dengan hukum fisika yang tak terhindarkan. Peningkatan konstan dalam jumlah transistor dalam microchip memberi lebih banyak kekuatan dan lebih banyak sakit kepala kepada pencipta mereka. Di sinilah kimia datang untuk menyelamatkan.

Kimia transistor

Transistor bekerja karena fakta bahwa semikonduktor yang mereka buat (silikon, germanium) memiliki sifat yang sangat tidak biasa dan sangat berguna - mereka mengalirkan arus listrik lebih baik daripada isolator (kaca, misalnya), tetapi tidak sebagus konduktor (aluminium, misalnya )

Para ilmuwan dapat memanipulasi konduktivitas semikonduktor, menambah atau menguranginya dengan menambahkan sejumlah kecil pengotor (boron atau arsenik sering digunakan untuk ini). Dengan "melarutkan" silikon dengan zat lain, para ilmuwan mengubah sifatnya. Pada akhirnya dapat bertindak sebagai isolator, atau sebagai logam. Yang secara langsung mempengaruhi kemampuan transistor untuk menjalankan fungsinya.



Silikon - semikonduktor yang digunakan untuk membuat transistor - adalah bahan yang paling umum di dunia saat ini. Ini menyumbang 27,7% dari massa kerak bumi dan merupakan komponen utama pasir.

Meskipun transistor pertama, dibuat di Bell Labs pada tahun 1947, dibuat berdasarkan Jerman, ada sejumlah alasan mengapa Lembah Silikon tidak disebut Germanieva.


Laboratorium lonceng

Alasan paling umum adalah tidak dapat diaksesnya dan tingginya biaya Jerman. Masalah yang jauh lebih serius adalah sifat kimiawi dari bentuk insulasi zat ini yang disebut germanium oksida. Itu larut dalam air, oleh karena itu, dalam proses penggilingan yang diperlukan untuk membuat beberapa transistor pada satu microchip, itu hanya akan "menghilang". Jadi, setelah menumpahkan segelas air di laptop "Jerman" Anda, Anda akan membuangnya begitu saja.

Inilah yang mendorong para ilmuwan untuk menggunakan silikon, yang, pada gilirannya, juga memiliki beberapa kelemahan. Tentang mereka beberapa saat kemudian.


Intel 4004

Penyimpangan kecil ke dalam sejarah. Pada tahun 1971, Intel merilis mikroprosesor Intel 4004 pertama, yang berisi 2.300 transistor. Sekarang satu mikroprosesor berisi beberapa ratus juta transistor dan jumlah mereka bertambah setiap tahun.

Ini adalah konfirmasi langsung hukum Moore (salah satu pendiri Intel Gordon Moore), yang menyatakan bahwa jumlah transistor pada satu chip akan berlipat dua kali setiap 2 tahun. Prediksi yang sangat berani tetapi sangat akurat. Namun, sekarang microchip menjadi lebih kecil dan ukurannya lebih kecil. Kekuatan mereka dalam hal ini meningkat justru karena peningkatan jumlah transistor. Dan sementara kimia mengatasi proses ini "ukuran lebih kecil / kekuatan lebih." Sayangnya, ada satu "Tapi" - ketika komponen microchip berkurang, ruang di mana kabel penghubung transistor dihubungkan ke silikon wafer juga berkurang. Secara kasar, mengurangi transistor dan microchip itu sendiri, komponen yang menghubungkan semua menjadi satu harus berkurang. Dan pada akhirnya, tanpa mengetahui cara mengurangi komponen-komponen ini, kekuatan dan ukuran microchip akan tetap pada level saat ini.

Solusi untuk masalah ini bagi Intel adalah penggantian logam (microchip menjadi lebih kecil, dan resistansi lebih besar). Ketika satu konduktor berhenti menjadi efektif, mulailah menggunakan yang lain. Pada tahun 1980-an yang jauh, tungsten digunakan, kemudian titanium pada awal 90-an, kemudian kobalt, dan nikel, yang sekarang digunakan. Masing-masing logam baru meningkatkan microchip, karena level resistance di titik koneksi menurun.

Namun, transisi yang konstan dari satu logam ke logam lain membawa banyak sakit kepala bagi produsen microchip. Setiap kali kesulitan baru muncul. Setelah penggunaan jangka panjang tungsten (sekitar 5 tahun, menurut Intel), perlu untuk mengubah peralatan untuk pengendapan (penyimpanan) bahan. Kami juga harus beralih dari pemanas wafer semikonduktor di tungku khusus untuk menggunakan lampu pelepasan gas, karena ini menyertai koneksi yang lebih tahan lama dari bahan baru dengan silikon. Tugas utama sekarang adalah mengembangkan metodologi yang memungkinkan Anda mengubah bahan-bahan yang diperlukan tanpa biaya khusus untuk pabrikan, baik finansial maupun waktu.

Masalah besar lainnya adalah koneksi transistor dan papan itu sendiri. Atau lebih tepatnya, keinginan untuk beralih dari aluminium ke tembaga. Intinya adalah bahwa tembaga adalah konduktor yang lebih baik daripada aluminium, tetapi penggunaannya tidak mungkin karena kerentanannya terhadap korosi. Namun, membuang bahan ini bodoh, lebih baik membantu bagaimana menyelesaikan masalah korosi.


Titanium

Maka, pada awal 90-an, para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa lapisan tipis titanium di atas tembaga dapat mencegah korosi. Masalah ini diselesaikan, tetapi ada satu lagi. Senyawa aluminium dapat diterapkan pada mikroprosesor menggunakan metode litograf standar. Apa yang tidak bisa dikatakan tentang tembaga. Selain itu, tembaga tidak boleh bersentuhan dengan silikon mengingat terjadinya interaksi tertentu antara bahan yang dapat merusak transistor.

Aspek penting dari pengurangan terus menerus mikroprosesor bukan hanya kombinasi bahan. Kinerja gerbang transistor secara langsung tergantung pada lapisan isolasi tipis silikon dioksida. Penurunan transistor juga menyebabkan penurunan lapisan ini, yang ketebalannya sekarang berkisar antara 3 hingga 4 atom.

Kerugian dari ketebalan ini adalah kebocoran arus. Artinya, alih-alih posisi seperti hidup atau mati, kami mendapatkan posisi hidup dan mati dengan kebocoran. Semakin kecil mikroprosesor menjadi, semakin banyak daya yang mereka butuhkan untuk operasi normal.

Dengan demikian, dengan mematikan transistor, kerugian saat ini tidak dapat dicegah. Pentium microchip mengkonsumsi sekitar 30-40 watt dengan kerugian 1 watt. Sekarang sekitar 100 watt diperlukan untuk operasi normal mikroprosesor modern, dan sebagai hasilnya, sekitar setengah dari arus hilang. Dan proses ini juga menyertai pembangkitan panas yang kuat. Artinya, di laptop Anda tidak bisa menggunakan chip 100-watt, langit-langit untuk perangkat ini adalah 30-40 watt.

Dengan demikian, jika semua masalah di atas tidak terpecahkan, hukum Moore akan menjadi sejarah, dan proses evolusi microchip yang lebih jauh harus menunggu lama.

DNA bukan silikon

Beberapa peneliti berpikir untuk mengganti silikon sepenuhnya dengan sesuatu yang lebih maju. Sudah, gallium arsenide digunakan, yang memiliki beberapa keunggulan dibandingkan silikon. Pertama, kecepatan mikroprosesor tersebut jauh lebih tinggi. Kedua, mereka sangat sensitif terhadap berbagai gelombang radio, yang membuatnya ideal untuk ponsel dan kartu koneksi Internet nirkabel. Namun, kebutuhan daya tinggi telah membatasi penggunaan transistor gallium arsenide secara eksklusif dalam chip komunikasi.

Juga jangan lupa tentang penelitian karbon nanotube. Penggunaan silinder berlubang akan membutuhkan energi yang jauh lebih sedikit daripada yang terbuat dari silikon.



Namun, jika Anda sedikit mengubah pemikiran Anda dari sains ke fiksi ilmiah, maka mengapa tidak menggunakan DNA. Opsi ini terlihat hampir tidak realistis. Namun, ada baiknya melihat manfaat yang mungkin, karena usaha ini tampak seperti kue, yang masih bernilai lilin. Atau lebih tepatnya:

• Rantai DNA sudah menyandikan informasi, dan para ilmuwan sudah dapat mengubahnya dengan menyalin, menghapus atau memindahkan segmen tertentu dari rantai;
• menyimpan data pada DNA akan secara signifikan meningkatkan kecepatan pemrosesan mereka dan mengurangi konsumsi energi (secara teoritis);
• juga bahan itu sendiri (DNA) sangat terjangkau, murah, seperti nanotube, ukurannya sangat kecil.

Contoh skematis dari masalah salesman keliling

Gagasan menggunakan DNA dalam teknologi komputer bukanlah hal baru. Kembali pada tahun 1994, Leonard Max Adleman, seorang ahli teori ilmu komputer di University of Southern California, menggunakan DNA untuk menyelesaikan masalah salesman keliling (menemukan jalur optimal antara beberapa kota dengan kondisi mengunjungi masing-masing hanya sekali). Butuh beberapa hari, jadi tidak perlu menunggu komputer DNA super cepat dalam waktu dekat.

HDD Kimia

Hard disk atau HDD adalah salah satu cara paling umum untuk menyimpan dan memproses data, terutama pada laptop dan komputer pribadi. Pada HDD, informasi dicatat pada pelat kaku yang terbuat dari aluminium atau kaca yang dilapisi dengan lapisan bahan feromagnetik.



Proses penulisan data ke HDD terjadi dengan memagnetisasi sektor tertentu dari HDD. Lebih tepatnya, pelat kaku berputar dengan kecepatan tinggi, dan kepala tulis, yang terletak pada jarak 10 nm, mentransmisikan medan magnet bolak-balik yang mengubah vektor magnetisasi domain, yang terletak tepat di bawah kepala. Secara kasar, sektor kosong (domain) tidak memiliki muatan, dan diisi dengan informasi memiliki vektor magnetik tertentu (utara-selatan), kombinasi yang menciptakan urutan logis 0 dan 1, yang dengannya informasi itu sendiri terbentuk.

Hasilnya, kami memiliki beberapa elemen yang dapat ditingkatkan melalui penggunaan elemen kimia baru: pelat kaku, kepala baca-tulis. Upaya untuk mengurangi ukuran fisik pelat sambil meningkatkan volume informasi yang disimpan dan diproses dihadapkan pada masalah baru yang dapat diselesaikan oleh kimia.



Saat ini, piring HDD terbuat dari paduan kobalt, kromium dan platinum. Dua bahan pertama diperlukan untuk menciptakan magnetisme dan menempati sekitar 50-60% dari total "campuran." Platinum mencegah perubahan tak terkendali dari vektor magnetik domain pelat.

Saat ketebalan plat menurun, muncul masalah baru. Sekarang partikel magnetik diukur dalam 10 nanometer. Karena begitu kecil, mereka mulai bergetar selama pemanasan. Platinum masih mampu mengimbangi efek ini, tetapi kemungkinannya tidak terbatas.

Dengan demikian, dengan penurunan ukuran pelat, platinum tidak akan dapat mencegah perubahan vektor magnetik domain yang tidak terkontrol. Sejauh ini batas ukuran ini belum tercapai, tetapi para peneliti telah menetapkan sendiri tugas yang sangat ambisius untuk menguranginya dari 10 nanometer menjadi 5. Hal ini dimungkinkan untuk mencapai hal ini dengan mengubah suhu di mana lapisan terbentuk, atau menggunakan bahan tertentu di bawah lapisan magnetik. Misalnya, penggunaan nikel memungkinkan Anda memecah lempeng menjadi lebih banyak domain.

Masalah yang bahkan lebih serius adalah pada disk biasa, partikel magnetik tidak terpecah menjadi daerah yang identik, satu wilayah mungkin lebih besar dari yang lain. Sederhananya, mengubah polaritas wilayah magnetik diperumit oleh fakta bahwa kita tidak tahu posisi pasti wilayah tersebut karena distribusi yang tidak merata.

Kimia kepala cakram magnetik juga telah berevolusi.

Kepala baca hard disk tidak menyentuh permukaan pelat selama operasi karena interlayer dari aliran udara masuk yang terbentuk di dekat permukaan selama rotasi cepat (biasanya 5400 atau 7200 rpm). Jarak antara kepala dan disk di disk modern adalah sekitar 10 nm. Jarak sekecil itu disebabkan oleh kebutuhan untuk memindahkan medan magnet bolak-balik dari kepala ke pelat.



Awalnya, kepala pembaca terbuat dari nikel (80%) dan besi (20%). Kemudian, rasio diubah menjadi 45% / 55%. Namun, ini tidak cukup untuk menyelesaikan tugas, karena mereka mulai menggunakan paduan kobalt dan besi.

Masalah lain adalah kerusakan fisik pada plat oleh kepala baca-tulis. Seperti yang telah kami katakan, pelat berputar sangat cepat, menciptakan getaran, dan kepala terletak pada desakan yang sangat kecil. Dan kadang-kadang kepala bisa mengenai permukaan piring, merusaknya, sehingga mengarah ke masalah membaca data.

Solusi untuk masalah ini adalah penggunaan lapisan karbon tipis, tetapi keras, seperti berlian, baik disk maupun head baca. Juga di antara mereka adalah lapisan pelumas dengan ketebalan 1 molekul. Jadi, jika kepala menyentuh disk, permukaannya akan meluncur di atas pelumas dan tidak akan ada kerusakan.



Namun, sering terjadi tabrakan, dan tidak ada cara untuk meningkatkan ketebalan lapisan pelumas. Bagaimana membuatnya lebih tahan lama? Jawaban atas pertanyaan ini adalah perfluorinated ether. Zat ini memiliki sifat unik - penyembuhan diri. Karena konsistensi, kerusakan pada lapisan pelumas itu sendiri tertunda, seolah-olah itu harus dibawa dengan pisau di permukaan madu.

CD / DVD

Metode kimia dan fisika yang berbeda digunakan dalam pengoperasian cakram optik, kesamaannya dengan cakram keras dibatasi oleh rotasi dan keberadaan kepala baca. Namun, produksinya tidak menggunakan elemen magnetik sama sekali.



Di antara berbagai CD dan DVD, yang paling menarik secara kimia adalah pemilik fungsi dubbing. Disk ini menggunakan lapisan transisi fase khusus. Bahan tertua dan paling umum untuk membuat paduan ini adalah germanium, antimon dan telurium.

Lapisan dengan transisi fase memiliki sifat yang luar biasa - atom-atomnya dapat secara acak membentuk keadaan kacau atau yang teratur (kubus rubik yang dibongkar - kacau, kubus rubik yang dipesan - yang dilipat). Atom-atom yang kacau terlihat kusam, dan atom-atom berurutan itu brilian, yang mengarah ke analogi dengan nol dan satu.



Drive menggunakan laser dengan tiga level daya untuk membaca dan menulis data. Selama membaca, laser beroperasi pada daya terendah. Ini berfokus pada lapisan transisi fase yang dapat terletak jauh dari permukaan disk. Sensor optik mengenali dari mana atom memantulkan sinar, dari redup atau bercahaya.

Proses rekaman sedikit lebih rumit. Pada daya tinggi, laser menghasilkan peningkatan suhu, bagian-bagian tertentu dari lapisan meleleh, atom ditransfer ke posisi kacau (redup). Pada kekuatan laser rata-rata, bagian-bagian lapisan dipanaskan, bukan meleleh, dan atom-atom berbaris dalam posisi ideal (bercahaya). Setelah laser selesai merekam, ia kembali ke daya minimum dan membaca data pada disk.

Monitor kimia

LCD modern memberi kita kesempatan untuk menggunakan monitor yang lebih tipis dan lebih hemat energi dengan lebih sedikit kerusakan pada penglihatan.



Monitor CRT pertama, diperkenalkan pada tahun 1927 oleh Philo Farnsworth, adalah penemuan revolusioner. Tetapi monitor seperti itu sangat memakan energi dan memiliki sejumlah kelemahan lainnya.


Philo Farnsworth

Prinsip operasi CRT adalah sebagai berikut - titik-titik fosfor yang menutupi seluruh permukaan kaca bersinar karena pembacaan konstan oleh sinar elektron. Dengan demikian, titik-titik tertentu disorot dan gambar terbentuk. Namun, jika seluruh dot matrix diperbarui beberapa kali per detik, maka ilusi gerakan berkembang. Ketika monitor warna muncul, mereka dilengkapi dengan titik-titik fosfor dalam tiga warna - merah, hijau, biru. Kimiawan telah menemukan banyak paduan yang memungkinkan Anda menghasilkan kilau warna tertentu. Dicampur dengan benar, seng sulfida dengan tembaga dan aluminium memberikan warna hijau, dan perak dengan warna biru. Diperlukan merah, europium, oksigen, dan itrium (ditemukan di batu bulan).

Namun, banyak dari paduan ini sangat berbahaya bagi lingkungan. Seng sulfida, misalnya, sangat beracun. Dan monitor lama yang dibuang melepaskan semua zat mengerikan ini ke dalam air tanah.

Antara lain, berkas elektron membutuhkan lebih banyak daya untuk bekerja.Ini juga membatasi kemampuan untuk mengubah ukuran monitor, karena kaca tebal dan tebal diperlukan untuk mencegah ledakan (ledakan diarahkan bukan di dalam tetapi di dalam). Selain itu, di antara pembaruan dot matrix, cahaya dari titik-titik fosfor akan membusuk, menyebabkan tekanan visual pengguna karena kerlipan gambar.



Para peneliti telah mencatat dalam beberapa zat properti yang tidak biasa - titik didih ganda. Kembali pada tahun 1889, fisikawan Otto Lehman mencatat bahwa "kristal yang tampaknya hidup" ini berada dalam keadaan antara cairan dan kristal. Namun, kekuatan sebenarnya dari bahan tersebut terungkap hanya beberapa dekade kemudian.

Pada tahun 1971, James Fergason menggunakan efek medan nematik, di mana kristal cair mulai berinteraksi dengan medan listrik. Jadi monitor LCD pertama dibuat.

Jenis tampilan ini menempatkan kolom kristal cair antara filter yang terpolarisasi pada 90 derajat satu sama lain.

Cahaya putih melewati filter pertama, kemudian melalui lapisan kristal cair dan filter kedua. Berinteraksi dengan medan listrik, kristal cair mengubah struktur mereka, menghalangi cahaya. Untuk mendapatkan gambar berwarna, digunakan filter merah, biru dan hijau di atas setiap piksel.

Tidak adanya kebutuhan akan berkas elektron secara signifikan mengurangi konsumsi energi monitor dan menghilangkan batasan ukurannya.

Catatan tambahan

Esai di atas tentang kimia di dunia komputer hanya sedikit membuka pintu untuk memahami pentingnya ilmu ini dalam dunia yang tampaknya fisik. Tidak ada satu penemuan pun yang dipandu oleh hanya satu sains. Dengan menggabungkan pengetahuan dari beberapa bidang, hasil yang luar biasa dapat dicapai. Oleh karena itu, sangat lancang untuk mengatakan bahwa beberapa ilmu lebih penting daripada yang lain. Semuanya penting dan esensial untuk pemahaman yang lebih besar tentang dunia yang mengelilingi kita, dan untuk peningkatannya.


Ahli kimia bercanda

sebagai iklan. Kami saat ini mengadakan promosi unik yang memungkinkan Anda mendapatkan server di NL / AS hingga 4 bulan gratis: E5-2650v4 / 10GB DDR4 / 240GB SSD / 1 Gbps - $ 29. Untuk menerima bonus kepada pembaca Geektimes, cukup meninggalkan nomor pesanan di komentar pada publikasi ini.

? DELL R730XD c 9000 , 10 / : 2 Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650 v4 128GB DDR4 6 x 480GB SSD 1Gbps 100 — $249 / .