Семь элементов, которые изменили мир

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 обращение к углероду: графен

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.