Twoja-Strona.Net - Epoka liliputów

Uwielbiamy wszystko w el ektronice zmniejszać. Gdzie leżą granice miniaturyzacji?
Kiedy w 1945 roku armia amerykańska uruchomiła jeden z pierwszych komputerów elektronicznych na świecie, było co podziwiać: 42 szafy, z których każda miała 3 metry wysokości, metr szerokości i 30 cm głębokości. Ważące 30 ton monstrum psuło się co pół godziny, ale dodawało 5000 liczb dziesiętnych na sekundę. Choć tempo wydawało się wtedy zawrotne, dzisiejsze procesory wykonują w tym samym czasie kilkaset milionów podobnych obliczeń.
To było wielkie, dosłownie i w przenośni, osiągnięcie techniczne. Kilku studentów postanowiło niedawno "nieco" zmniejszyć ENIAC-a. Opracowali pojedynczy układ scalony, który wiernie odtwarzał działanie historycznej maszyny, tyle że miał wymiary 7,5 na 5,3 mm.

Dwie rewolucje
Ten studencki eksperyment dowodzi, jak wiele się od tamtych czasów zmieniło. Miniaturyzacja stała się jedną z głównych sił napędowych postępu w elektronice. To dzięki niej możemy korzystać z wielu podręcznych urządzeń, a zarazem to właśnie zapotrzebowanie rynku zmusza inżynierów do udoskonalania technologii i zmniejszania wszystkiego, co im wpadnie w ręce. Tak właśnie było z telefonami komórkowymi. Pierwsze były tak wielkie i niewygodne, że trudno dziś zrozumieć, jak można je było nosić. Po 20 latach nie sposób już sobie wyobrazić życia bez przenośnego, malutkiego aparatu. Ten ogromny skok technologiczny mógł się dokonać dzięki dwóm rewolucjom technologicznym. Jedna wybuchła, gdy wynaleziono tranzystor, ojcem drugiej został układ scalony.

Lampy do lamusa
Gdyby zajrzeć do starego, przedwojennego radia wielkości małej lodówki, wewnątrz ujrzelibyśmy przede wszystkim lampy elektronowe - takie same, na jakich opierała się konstrukcja ENIAC-a. Ogromne szklane bańki często się przepalały i bardzo nagrzewały, pożerając przy okazji mnóstwo prądu. W 1947 roku lampy mógł już zastąpić opracowany w laboratoriach firmy Bell tranzystor. Pełnił te same funkcje, co lampa próżniowa, jednak był pozbawiony większości jej wad. Dzięki niemu radio zmieniło się z pokaźnego mebla w całkiem poręczny i - z czasem przenośny - odbiornik. Kolejny przewrót przyniosło opracowanie w 1958 r. układu scalonego. Wynalazek ten pozwolił upakować wszystkie diody, tranzystory i oporniki w malutkiej, eleganckiej kostce.

Jedyna ręka
Choć nadal z nich korzystamy, układy scalone bardzo się zmieniły. Ten pierwszy, opracowany w firmie Texas Instruments, nie był skomplikowany - zmieszczono w nim zaledwie dwa tranzystory. Przez długi czas produkcja "scalaków" była bardzo kosztowna, więc stosowano je w najbardziej zaawansowanych urządzeniach. Dziś wiele układów scalonych, jak choćby procesory komputerowe, zawiera kilkadziesiąt milionów tranzystorów ściśniętych na powierzchni zaledwie kilku centymetrów kwadratowych. Wokół nas zaroiło się od tysięcy małych "scalaków", których istnienia często nawet się nie domyślamy. Niektórzy producenci wszywają w ubrania turystyczne niewielkie układy, których zadaniem jest sygnalizowanie pozycji człowieka przysypanego przez lawinę. Również identyfikatory elektroniczne wszczepiane pod skórę zwierząt to nic innego, jak maleńkie układy scalone. Mają zakodowany numer, który można odczytać za pomocą specjalnego urządzenia i w ten sposób szybko odnaleźć właściciela czworonoga. Amerykańska policja rozważa oznakowanie nie psów, lecz... policjantów i ich broni, aby pistoletem funkcjonariusza nie mógł się posłużyć nikt inny. Układ scalony wielkości ziarnka ryżu ma być wszczepiany w dłoń policjanta, a system wbudowany w kolbę pistoletu będzie blokował spust, gdy broń zmieni właściciela. Choć układy scalone są dziś mózgiem niemal każdego urządzenia elektronicznego, inżynierowie intensywnie pracują nad miniaturyzacją innych elementów. Wystarczy spojrzeć na nowoczesny telefon komórkowy - w obudowie mieszczącej się w dłoni upchnięto jeden lub dwa ekrany ciekłokrystaliczne, procesor, układ nadawczo-odbiorczy wraz z anteną, głośnik, cyfrowy aparat i kamerę, wydajną baterię, a nierzadko również radio, dyktafon i wymienną kartę pamięci. Taka współczesna komórka zazwyczaj ma większą moc obliczeniową niż komputery z lat 80. - Atari czy Commodore. Powstają nawet programy przeznaczone dla telefonów komórkowych, które symulują na nich działanie zabytkowych komputerów. Ze względu na moc procesora komórki, pracują jednak zbyt szybko.

Drobny problem
Radosny pęd ku miniaturyzacji może jednak zostać zahamowany. Stałe zmniejszanie urządzeń elektroniki użytkowej trafiło na barierę, o której jeszcze kilka lat temu nikt nie myślał. Nie chodzi o problemy technologiczne - ograniczenia stawiamy sobie sami. Jeszcze niedawno producenci telefonów komórkowych prześcigali się w zmniejszaniu swoich aparatów. Powstawały telefony nie większe od pudełka zapałek, wyposażone w malutki wyświetlacz i miniaturową klawiaturę. Te wynalazki wcale nie wzbudziły oczekiwanego entuzjazmu. Okazało się, że na malutkim ekranie nic nie widać, a "tycia" klawiatura nie pasuje ani do męskich palców, ani do długich paznokci kobiet. Rozwiązaniem okazały się komórki z klapką - mają spory ekran i wygodną klawiaturę, a po zamknięciu aparat można wsadzić do kieszeni koszuli lub wieczorowej torebki.

Małe jak atom
Niektórzy producenci się jednak nie poddają - niedawno Nokia zaprezentowała model 7280, który rozmiarami przypomina szminkę. Skoro niewygodnie korzystać z małej klawiatury, to może ją wyrzucić? W 7280 nie ma przycisków, a numery wybiera się głosem. Z kolei specjaliści z Texas Instruments opracowali kość, w której zintegrowano wszystkie funkcje telefonu komórkowego. Stąd już tylko krok do telefonu składającego się z tkwiącej w uchu malutkiej słuchawki połączonej z mikrofonem. Nowy próg miniaturyzacji komputerów wyznaczyła niedawno firma Apple. Zaprezentowała komputer o znamiennej nazwie Mac mini. I rzeczywiście jest miniaturowy - rozmiarami przypomina niewielką książkę. Wewnątrz udało się jednak zmieścić wszystkie potrzebne komponenty. Wcale nie zastosowano ich mniejszych wersji - po prostu wyrzucono to, co nie jest niezbędne, a resztę sprytnie upakowano. Producenci układów scalonych prześcigają się w upakowywaniu coraz to większej liczby elementów na ograniczonej powierzchni. Wyprodukowany przez Hitachi twardy dysk Mikey mieści aż 8 GB danych, a rozmiarami nie przekracza kostki domina. W tej chwili stosuje się technologie, w której pojedyncze elementy osiągają rozmiary 0,09 mikrometra (to mniej niż jedna dziesięciotysięczna milimetra). Miniaturyzacja układów elektronicznych ma jednak swoje bariery technologiczne. Naukowcy szacują, że za około 10-15 lat osiągniemy fizyczne granice miniaturyzacji układów scalonych - nie da się tworzyć struktur mniejszych niż pojedyncze atomy. Aby przygotować się na ten moment, już opracowuje się systemy elektroniczne, których działanie opiera się nie na układach zbudowanych z krzemu, ale wykorzystujących związki organiczne. Takie biokomputery miałyby spory zapas mocy przy "tycich" rozmiarach.

Co z zasilaniem?
To wciąż jeszcze odległa perspektywa, ale już dziś konstruktorom sen z powiek spędza problem z zasilaniem. Baterie i akumulatory opierają się na pomyśle sprzed 200 lat i niezbyt się od tego czasu zmieniły. Tymczasem kieszonkowe komputery czy komórki potrzebują dzisiaj dużej ilości prądu. Skutków doświadczamy na co dzień - telefon z kolorowym ekranem rzadko działa dłużej niż 3 dni, a laptop wytrzymuje zaledwie kilka godzin. Nadzieją są ogniwa paliwowe - urządzenia, które nie przechowują prądu, ale go wytwarzają. Taka miniaturowa elektrownia może generować napięcie czerpiąc energię np. ze spirytusu. Trwają intensywne badania nad podobnymi rozwiązaniami i wygląda na to, że za 2-3 lata zniknie problem ładowania komórki. Miniaturyzacja elektroniki, choć niezwykle wygodna, przysparza też problemów. W końcu jednak naukowcy poradzili sobie nie z takimi kłopotami, więc i tym razem dadzą radę.