Как на самом деле устроены смартфоны

Вы когда-нибудь задумывались о том, как работает ваш смартфон? Отправьтесь в путешествие на атомный уровень вместе с исследовательницей Кэти Малцер, которая рассказывает, как почти каждый компонент наших мощных устройств существует благодаря химикам, а не предпринимателям Кремниевой долины, как полагает большинство людей. Как она говорит: «Химия — это герой электронных коммуникаций».

Когда я перешла в старшие классы,
у меня появился новый телефон Nokia

и я подумала: «Вот новая крутая замена

моей старенькой переносной рации
девчачьей розовой расцветки,

и теперь я и мои друзья
можем писать или звонить друг другу,

где бы мы ни находились,

вместо того,

чтобы делать это понарошку,
бегая на заднем дворе».

Скажу честно.

Тогда я мало задумывалась о том,
как были сделаны эти устройства.

Обычно они появлялись
в Рождественское утро,

так что, возможно, их создавали
эльфы в мастерской Санты.

Позвольте задать вам вопрос.

Кто же они, эти эльфы,
которые делают эти устройства?

Мои знакомые ответили бы так:

«Наверное, это одетые в толстовки
инженеры-программисты Кремниевой долины,

корпящие над взломом кода».

Но прежде чем дело дойдёт до кода,

должно произойти ещё многое.

Эти устройства начинаются
на атомном уровне.

Лично я считаю,

что настоящие эльфы — это химики.

Именно так, химики.

Химия — главный герой
электронной коммуникации.

И моя цель сегодня — убедить вас

со мной согласиться.

Давайте начнём с самого простого

и заглянем внутрь этих
притягательных устройств.

Потому что без химии,

этой информационной магистрали,
которую мы так обожаем,

это было бы просто очень дорогое,
светящееся пресс-папье.

Благодаря химии всё это работает.

Давайте начнём с дисплея.

Как, по-вашему, мы получаем
эти яркие и живые цвета,

которые нам так нравятся?

Сейчас расскажу.

Внутрь дисплея встроены
органические полимеры,

которые могут превратить электричество
в синий, красный и зеленый цвета,

которые нам так нравятся на фото.

Теперь взглянем на аккумулятор.

В основе — серьёзные исследования.

Как мы используем химические свойства
обычных батарей

в сочетании с новыми электродами
с большей площадью поверхности

так, что это позволяет нам помещать больше
заряда в меньшее пространство

и целый день тратить заряд
наших устройств,

пока мы делаем селфи,

не подзаряжая батареи

или не привязывая себя
к электрической розетке?

А что можно сказать о связующих веществах,
которые это всё скрепляют,

чтобы устройство не развалилось
от частого использования?

В конце концов, будучи миллениалом,

я вынуждена проверять
свой телефон раз по 200 за день

и из-за этого роняю его по два-три раза.

Где же настоящий мозг этих устройств?

Что заставляет их работать так,
как нравится нам?

Всё дело в электрических
элементах и микросхемах,

которые привязаны к печатной плате.

А может, лучше выразиться
биологической метафорой:

в материнской плате, вы о ней слышали.

На самом деле печатная плата —
это не самое главное.

Честно говоря, даже не знаю почему.

Возможно, потому что
это самый невзрачный слой,

скрытый под всеми
остальными глянцевыми слоями.

Наконец пришло время
осыпать слой Кларка Кента,

достойной супермена похвалой,
которую он заслуживает.

Хочу задать вам вопрос.

Как вы думаете, что такое эта плата?

Возьмём метафору.

Представьте город, в котором вы живёте.

Вот здесь значимые для вас места:

дом, ваше место работы, рестораны,

парочка «Старбаксов» в каждом квартале.

Чтобы их соединить, мы строим дороги.

Вот что такое печатная электроплата.

Только вместо ресторанов

у нас здесь транзисторы на чипах,

конденсаторы, резисторы —

все эти электрические элементы,

которым нужно как-то
между собой взаимодействовать.

А что же такое наши дороги?

Это крошечные медные провода.

И следующий вопрос:

как мы создаём эти
крошечные медные провода?

Они действительно очень маленькие.

Не было бы проще пойти
в магазин «Сделай сам»,

купить катушку с медной проволокой,

несколько кусачек, маленькую скобу,

всё это соединить, а потом — бац —
вот она, наша печатная плата?

Ничего не выйдет!

Эти провода слишком малы для этого.

И поэтому доверимся нашему другу, химии.

Кажется, проще простого
создать эти крошечные медные провода

с помощью химического процесса.

Начнём с раствора

положительно заряженных медных сфер.

Добавляем к ним
изолирующую печатную плату.

Потом разбавим эти
положительно заряженные сферы

отрицательно заряженными электронами,

добавив в смесь формальдегид.

Возможно, вы знаете, что это такое.

Это вещество имеет резкий запах

и используется для консервации
лягушек на уроке биологии.

Оказывается, это не единственное
его применение.

По сути, он главный компонент, необходимый

для создания этих крошечных
медных проводков.

Дело в том, что у электронов
на формальдегиде есть моторчик.

Они хотят перепрыгнуть позитивно
заряженные медные сферы.

И всё это благодаря процессу под названием
«окислительно-восстановительный процесс».

Когда это происходит,

мы берём позитивно заряженные медные сферы

и превращаем их в яркую,

блестящую, металлическую
и токопроводящую медь.

А получив однажды токопроводящую медь,

мы теперь делаем что хотим.

И мы можем сделать так,
что все эти компоненты

будут взаимодействовать.

И опять скажем спасибо химии.

И давайте подумаем,

как далеко нас завела химия.

Понятно, что в электронных коммуникациях

размер имеет значение.

Давайте подумаем о том,
как уменьшить наши устройства,

чтобы перейти от «кирпичей» из 90-х

к чему-то более элегантному,

например, мобильным телефонам,
которые мы носим в карманах.

Однако давайте будем реалистами:

абсолютно ничего не влезает
в карманы женских брюк,

если вы вообще видели хотя бы
пару брюк с карманами.

(Смех)

И думаю, даже химия нам здесь не поможет.

Но для нас важнее
не уменьшение самого устройства,

а схемы внутри него,

причём раз этак в сто.

То есть как перейти от микронного

до нанометрового масштаба?

Поскольку, что и говорить,

мы все сейчас хотим иметь более
мощные и быстрые смартфоны.

А более мощные и быстрые требуют
большего количества электросхем.

Как же это сделать?

Не то что бы у нас есть магический
электромагнитный луч,

как у профессора Вэна Залински,
который уменьшил своих детей

в известном всем фильме.

Случайно, конечно.

Или всё-таки есть?

На самом деле в этой области

есть очень похожий процесс.

Называется он фотолитография.

В фотолитографии мы берём
электромагнитную радиацию,

или то, что мы привычно называем светом,

и используем его для уменьшения этих схем,

чтобы втиснуть их в действительно
очень маленькое пространство.

Как это всё работает?

Начнём с субстрата,

на который нанесена
светочувствительная плёнка.

Затем мы покрываем его
трафаретом со схемой

из чётких линий и изображений,

которая заставит работать смартфон
именно так, как нам нужно.

Затем мы пропускаем
яркий свет сквозь трафарет,

создавая тень схемы на поверхности.

Везде, где свет может
пройти сквозь трафарет,

он провоцирует химическую реакцию,

в результате чего изображение
схемы выжигается на субстрате.

Наверняка вы спросите:

«Как из выжженого изображения

получаются чёткие линии и детали?»

На этот вопрос нам ответит
химический раствор

под названием «проявитель».

Здесь проявитель необычный.

Что он может сделать — это взять
все неэкспонированные области,

выборочно их удалить,

оставляя чистые тонкие линии и детали,

заставляя наши миниатюрные
устройства работать.

Итак, мы использовали химию,
чтобы создать наши устройства,

а также для того, чтобы их уменьшить.

Так что я, наверное, убедила вас,
что химия — настоящий герой,

и мы можем на этом закончить.

(Аплодисменты)

Подождите, это ещё не всё.

Не так быстро.

Потому что все мы люди.

И как представитель этого рода,
я всегда хочу большего.

И сейчас я хочу понять,
как использовать химию,

чтобы извлечь из смартфона
как можно больше.

Сейчас нам твердят, что нам нужно
нечто под названием 5G,

или обещанное пятое поколение
беспроводных устройств.

Возможно, вы наслышаны о технологии 5G

из новой рекламы.

Или, возможно, кто-то уже её попробовал

во время зимней Олимпиады в 2018 году.

Что меня больше всего впечатляет в 5G,

так это то, что, когда я опаздываю
в аэропорт, выбегая из дома,

я успеваю загрузить фильмы
в смартфон за 40 секунд,

а не как раньше — за 40 минут.

Но как только у нас появится 5G —

это не только будет означать,
что мы загрузим

больше фильмов, чем сейчас.

Так почему же 5G всё ещё нет?

Открою вам маленький секрет.

Ответ достаточно прост.

Просто его очень сложно создать.

То есть, если вы для этой цели
возьмёте медь

и другие привычные материалы,

то может случиться так,
что сигнал не будет достигать цели.

Как правило, для поддержки медных проводов
мы используем очень грубые

изоляционные слои.

Давайте представим застёжку «липучку».

Шероховатая поверхность двух частей
скрепляет их вместе.

Это очень важно, если вы хотите,
чтобы устройство

прослужило вам дольше,

чем займёт процесс
извлечения его из коробки

и установки всех ваших приложений.

Но эта шероховатость ведёт к проблеме.

На высоких скоростях для 5G

сигнал должен проходить
очень близко к этой шероховатости.

Как следствие, он может быть потерян
прежде, чем дойдёт до места назначения.

Представьте горный хребет.

Перед вами сложная сеть дорог,
идущая через него вверх,

и вам нужно перейти на другую сторону.

Согласитесь,

что это действительно займёт долгое время

и вы, вероятно, потерялись бы,

если бы вам пришлось идти
вверх и вниз по всем горам.

Гораздо проще было бы идти напрямую,

пробурив для этого туннель?

В устройстве 5G почти то же самое.

Если бы можно было
удалить эту шероховатость,

мы бы направили 5G-сигнал

напрямую, без всяких помех.

Звучит неплохо, правда?

Но погодите-ка.

Разве я вам не говорила о том,
что эта шероховатость

скрепляет устройство?

Если её убрать, получится, что медь

не приклеится к субстрату.

Представьте домик из модулей LEGO,
с выступами и уголками,

которые в отличие от гладких
строительных кирпичей

как бы защёлкиваются на замок.

Какой из этих двух типов домов
уцелеет после того,

как ползающий по гостиной двухлетний малыш

будет крушить всё это,
представляя себя Годзиллой?

Что, если намазать клеем
эти ровные кирпичики?

Именно этого и ждёт наша индустрия.

Они ждут химиков, которые спроектируют
новую, гладкую поверхность

с повышенными адгезивными свойствами,

так необходимыми для медных проводов.

И когда мы решим эту проблему,

а мы её решим,

сотрудничая с физиками и инженерами,

чтобы решить все задачи и с 5G, —

вот тогда количество приложений
увеличится в разы.

У нас появятся такие вещи, как
автомобили с автоуправлением,

потому что теперь сети передачи данных
смогут справиться со скоростями

и тем количеством данных,
которые необходимы для такой работы.

Давайте дадим волю нашей фантазии.

Я могу представить, что пойду в ресторан
с другом, у которого аллергия на арахис,

достану свой смартфон,

наведу его на блюдо,

и блюдо даст нам ответ

на действительно важный вопрос:

смертельно ли оно
или безопасно для человека?

А может быть, устройства
научатся так хорошо

обрабатывать информацию о нас,

что станут нашими личными тренерами

и будут знать наиболее
эффективный способ сжигания калорий.

Наступит ноябрь,

и я буду сбрасывать накопленный
за время беременности вес.

Как бы я хотела иметь смартфон,
который дал бы мне совет.

Я правда не знаю, как сказать по-другому,

но химия — это действительно круто.

И именно благодаря ей
эти устройства работают.

Так что в следующий раз, когда будете
отправлять смс или делать селфи,

вспомните те атомы, которые трудятся,

и те открытия, которые им предшествовали.

Кто знает,

вероятно, кто-то из вас,
слушая моё выступление,

возможно, даже на своём смартфоне,

решит подружиться и стать напарником

Капитана Химия —

настоящего героя электронных устройств.

Спасибо за внимание

и спасибо химии.

(Аплодисменты)