Чтение онлайн

«Что нового на Риальто?» – спрашивает Шейлок из пьесы Шекспира «Венецианский купец». В эпоху Ренессанса Риальто был финансовым и коммерческим центром Венеции, и, чтобы выяснить, что там действительно происходит, туда надо было прийти и увидеть своими глазами. Местные коммуникации ограничивались скоростью ходьбы человека, а международные коммуникации – скоростью плывущего по морю корабля. В эпоху промышленной революции человечество начало использовать энергию каменного угля и нефти в паровозах и пароходах, а затем и в автомобилях и самолетах. Давая возможность перемещаться дальше и быстрее, углерод расширял географические горизонты и возможности для коммуникаций.

Но именно кремний помог осуществить самое впечатляющее изменение в области получения и распространения информации. Как и транспортные средства, использующие энергию углерода, кремний также изменил нашу повседневную жизнь, дал новые возможности выбирать «друзей» и поддерживать контакты с широким кругом людей. Однако власть кремния намного превосходит власть углерода. Даже сегодня лишь около 15 % мирового населения имеют автомобили, а еще меньше людей хотя бы раз летали на самолете.

Кремний широко распространен благодаря использованию в мобильных телефонах. Эти устройства во многом определили развитие современного общества. Они существуют уже достаточно долго, но, как и первые компьютеры, вначале были дорогими и громоздкими и потребляли много электроэнергии; аккумуляторы для телефонов были такими большими, что их приходилось помещать в специальный ящик в автомобиле. Но теперь люди имеют доступ к компьютерным мощностям, прежде доступным только университетам и крупным фирмам: обычный смартфон обладает большей вычислительной мощностью, чем та, которой владело NASA на момент высадки человека на Луну в 1969 г. В 1990-х гг. стоимость мобильных телефонов снизилась настолько, что они стали доступны многим жителям развивающихся стран. К 2002 г. в мире насчитывалось более миллиарда абонентов мобильной связи – для достижения этого показателя стационарным линиям телефонной связи потребовалось 128 лет. Сегодня около 75 % мирового населения имеют доступ к мобильной связи. Связав прежде разобщенных людей, кремний изменил баланс власти внутри общества. Достаточно только взглянуть на рост влияния неправительственных организаций и различных интернет-сообществ, чтобы понять, катализатором каких политических изменений во всем мире стал кремний.

Чтобы узнать последние новости, вам больше не нужно идти на Риальто. Достаточно просто достать из кармана электронный гаджет. Кремний повысил нашу способность понимать мир, сделав для человеческого мозга то же самое, что углерод и железо для мышц.

Футуролог Рей Курцвейл указывает: «В предстоящий период технологические изменения будут настолько быстрыми, а их влияние окажется настолько глубоким, что человеческая жизнь подвергнется необратимым изменениям» [87]. Тогда люди, техника, физическая и виртуальная реальность сольются в единое целое. Он уверен, что компьютеры позволят преодолеть естественные ограничения возможностей человеческого мозга и расширят пределы знаний. Однако компьютеры пока уступают человеческому мозгу, способному выполнять от 100 000 000 000 000 до 10 000 000 000 000 000 операций в секунду. Мы не в состоянии создать на основе кремния вычислительную машину, которая могла бы работать так же, как мозг, например, справляться с частыми неопределенными ситуациями в нашей жизни [88]. Однако Курцвейл уверен: этот рубеж будет достигнут к 2025 г. Возможно, здесь нет ни грана здравого смысла, но всевозможные спекуляции на тему порождены, безусловно, гранами кремния. Используя песок, человек создал нечто такое, что в один прекрасный день сможет превзойти своего создателя. Но следует проявлять осторожность и не переоценивать потенциал сегодняшних технологий. Гордон Мур недаром сказал: «Я не в состоянии видеть предела действия [закона Мура], так как могу заглядывать вперед не более чем на десять лет» [89]. Так чего же ожидать в ближайшее десятилетие? В Intel одна кремниевая инновация уже начинает приносить реальные плоды.

Майским днем 2012 г. я встретился с научным сотрудником Intel Марио Паничча в здании штаб-квартиры компании в калифорнийском городе Санта-Клара. Когда мы подошли к его рабочему столу, который был такого же размера, как и столы других сотрудников, но находился в углу помещения, Марио сказал: «Боссы занимают место у окна». Ожидая, когда он найдет маленькое кремниевое устройство, которое я пришел посмотреть, я разглядывал фотографии на стене. Рядом с фотографиями его семьи и друзей висело несколько снимков Паниччи с человеком, с которым я десять лет проработал в совете директоров Intel, – Гордоном Муром. «Мы наконец-то прошли с ним все восемнадцать лунок», – сказал Марио, указывая на фотографию, на которой он стоял рядом с Муром, одетым в костюм для гольфа. Было ясно, что Мур – вдохновитель творческих усилий Паниччи, представителя новой волны исследователей, стремящихся расширить границы применения кремниевых технологий. Тогда он проводил исследования, чтобы подтвердить возможность применения закона Мура в области технологий передачи данных. Найдя наконец нужную коробку, Паничча вынул из нее два маленьких кремниевых чипа, соединенных тонкими, прозрачными оптическими волокнами. «Это, – сказал он, – будущее коммуникаций».

Оптические волокна способны передавать большее количество данных, быстрее и дальше, чем медные провода. Волокно делается из стекла и стоит очень дешево, но лазеры, используемые для генерирования световых сигналов, передаваемых по волокну, довольно дороги. Поэтому вдоль оптоволоконной линии равномерно устанавливаются световые усилители, а на принимающем конце – световые декодеры. Эти компоненты не допускают массового производства, да и сама система связи не может собираться на конвейере. В результате кремниевые световоды – дорогостоящая альтернатива медным проводам. Использование оптических волокон обычно ограничивалось «информационными хайвэями», связывающими страны и континенты. По ним ежесекундно передаются десятки терабайт данных (приблизительно в 100 раз больше, чем хранится на жестком диске вашего компьютера). Каждая такая линия может стоить сотни миллионов долларов.

Паничча уверен: скоро все должно измениться. Крошечное устройство «кремниевой фотоники», которое он передал мне, вскоре сможет сделать использование высокоэффективных оптических волокон доступным в самых разных местах – от крупных хранилищ данных до персональных компьютеров [90]. Как и в случае изобретения Джеком Килби и Робертом Нойсом интегральных микросхем, для достижения этой цели предполагается использовать оборудование, почти полностью изготовленное из кремния. Это позволит обеспечить недорогое массовое производство оптических коммуникационных систем на основе кремниевой технологии, известной уже более 50 лет. Устройство, которое показал мне Паничча, способно передавать ежесекундно 50 гигабайт, что вполне достаточно для загрузки целого фильма менее чем за секунду. Сейчас его команда работает над созданием устройства, способного передавать один терабайт данных в секунду, что позволит загрузить всю печатную информацию, хранящуюся в Библиотеке Конгресса, приблизительно за 90 секунд.

Эти устройства кремниевой фотоники – последние дополнения к сложной инфраструктуре, обеспечивающей удовлетворение наших вычислительных и коммуникационных потребностей. Они используют взаимодействие кремния со светом и электронами, чтобы получить высокоскоростной канал коммуникаций, который может создаваться недорогим методом массового производства. Кремний снова предложил, как себя применять. Это технология завтрашнего дня. А что будет послезавтра? На горизонте появилась одна особенно привлекательная возможность, и она вновь исходит от углерода.

Новое вещество, с виду мелкоячеистая проволочная сетка, имеет потенциал, чтобы стать чудесным материалом XXI в., способным изменить мир в большей степени, чем кремний. Однако история его получения и применения – рассказ не о группе талантливых предпринимателей из солнечной Калифорнии, а об использовании карандаша и липкой ленты в одной из исследовательских лабораторий на севере Англии. В начале нынешнего тысячелетия выходцы из России профессор Андрей Гейм и его студент Константин Новоселов работали в Университете Манчестера, где занимались исследованием нового типа транзистора, изготовленного не из полупроводника наподобие кремния, а из проводникового материала. Они надеялись создать устройство меньших размеров, более быстродействующее и энергосберегающее по сравнению с любыми другими. Гейм и Новоселов начали эксперименты с графитом, состоящим из тонких слоев атомов углерода, расположенных друг над другом. Он используется для изготовления грифелей карандашей. Когда вы пишете карандашом, то оказываете давление на кончик грифеля, и тонкие углеродные слои графита ложатся на бумагу, образуя буквы и слова.

В течение многих лет ученые исследовали необычные свойства структур, состоящих из чистого углерода. Способность углерода создавать связи с самим собой позволяет получать разнообразные типы углеродных молекул, включая также длинные цепочки и кольца, образующие основу углеводородных видов топлива. В 1985 г. команда исследователей под руководством Гарри Крото из Университета Райса в Хьюстоне создала напоминающую футбольный мяч клетку из шестидесяти атомов углерода, названную Buckminsterfullerene [91]. Несколько лет спустя полые цилиндрические углеродные нанотрубки стали «чудесным материалом» 1990-х гг. Ученых заинтересовало, нельзя ли изготовить из атомов углерода тонкий лист. Большинство думало, что он окажется непрочным и сморщится, когда толщина составит всего один атом.

Однако в процессе исследования свойств тонких слоев графита Гейм и его студент сделали удивительное открытие. Используя обычную липкую ленту для снятия чешуек с куска графита, они смогли получать все более и более тонкие листы, снижая их толщину всего до нескольких атомов. В конце концов, взглянув в микроскоп, они увидели, что добились того, что многие считали невозможным: получился листа углерода толщиной всего в один атом – графен. Гейм и Новоселов начали исследовать свойства нового материала, и череда сюрпризов продолжилась. Оказалось, что это самый прочный материал в мире, в 300 раз прочнее стали [92]. Согласно расчету, требуется поместить слона на вертикально поставленный карандаш, чтобы проломить несколько слоев графена общей толщиной, как у клейкой ленты. Графен сочетает прочность с высокой эластичностью и электропроводностью. Он может оказаться лучшим в мире проводником тепла и электричества, превзойдя медь и серебро, и иметь практически нулевое сопротивление при комнатной температуре [93]. Но самое главное, что он самый прозрачный из всех существующих материалов. «Это было очень необычно, – говорит Новоселов. – Каждый раз, работая с графеном, мы обнаруживали что-то новое и интересное: его оптические, электрические и механические свойства уникальны» [94].

Первые результаты исследований опубликованы в 2004 г., и в дальнейшем работа ученых продолжала вызывать огромный научный и коммерческий интерес [95]. В 2010 г., всего шесть лет спустя, Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике. При объявлении имен лауреатов представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Углерод, основа всей жизни на земле, удивил нас еще раз» [96]. Углерод – самое многообразное из всех химических веществ. Как ископаемое топливо он способствовал развитию цивилизации, предоставляя энергию для производства, торговли и коммуникаций; в виде двуокиси углерода может изменить наш мир снова, оказывая постоянное воздействие на климат и образ жизни; в виде графена может кардинально изменить многие товары, которые делают нашу жизнь комфортнее. Его прозрачность и проводимость могут использоваться в солнечных батареях и сенсорных панелях; прочность и гибкость – для корпусов морских судов и космических кораблей; полупроницаемость – в антибактериальных бинтах и фильтрах для воды [97]. Литий-ионный аккумулятор с анодом из графена может иметь зарядную емкость в десять раз больше и заряжаться во много раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Такие устройства, как телефоны, где используются графеновые транзисторы, могут быть сделаны настолько тонкими, что их можно будет скатать в трубочку и заложить за ухо.