cicatrix

cicatrix

пикабушник
поставил 1250 плюсов и 1163 минуса
отредактировал 16 постов
проголосовал за 25 редактирований
62К рейтинг 3275 подписчиков 6934 комментария 47 постов 38 в "горячем"
2 награды
5 лет на Пикабуболее 1000 подписчиков
556

Земля не резиновая или мифы о перенаселении.

Мой прошлый пост о колонизации Венеры неожиданно для меня вызвал бурное обсуждение, где, помимо проблем непосредственно колонизации, очень часто фигурировало мнение о том, что не стоит пытаться колонизировать другие планеты, пока на Земле ещё полно неосвоенных мест. Оппоненты же заявляли, что на Земле уже сейчас наблюдается нехватка ресурсов на всех.


Моё личное мнение, которое я никому не навязываю, заключается в том, что колонизация космоса человечеству необходима, скорее, из соображений социологии, чем из-за реальной потребности в каких-либо ресурсах. Я опубликовал в разное время целую серию постов о том, какие проблемы подстерегают человечество на пути освоения космического пространства, начиная с выхода на орбиту, проблем жизнеобеспечения, и заканчивая строительством космических поселений и астроинженерных сооружений. Данный пост я хочу посвятить нашей родной планете, и в нём я постараюсь рассмотреть вопрос о том, сколько же людей на самом деле может прокормить матушка-Земля.


Сразу говорю, что данный пост не претендует на роль сколько-нибудь серьёзного изыскания по теме. Скорее всего, соображения, изложенные здесь вызовут у кого-то возражения и желание поспорить, что, собственно, не возбраняется в комментариях.


Тем не менее, почти все свои аргументы я постарался подкрепить пруфами, так что приветствуется только аргументированная критика.

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

В 1968 году греческий архитектор Константинос Доксидиадис в своей работе «Экуменополис 2100 года» описал развитие непрерывной всепланетарной агломерации, «планетарного города», конечной стадии процесса урбанизации планеты.


Наверное, самым известным представителем подобного города-планеты в массовой культуре является планета Coruscant из вселенной «Звёздных войн». Среди примеров можно так же вспомнить Ойкуменополис из «Победителя невозможного» Евгения Велтистова или столицу Империи Трентор из цикла «Основание» Айзека Азимова.


Сам термин Экуменополис (или Ойкуменополис) происходит, как несложно догадаться, из греческого языка, где οἰκουμένη — Вселенная, обитаемый мир и πόλις — город. Думаю, концепция понятна – город, занимающий всю поверхность планеты, включая океаны и полярные регионы.


Азимов описывал свой Трентор с «громадным» населением в 40 миллиардов человек. Соседние планеты не занимались более ничем, кроме выращивания еды для снабжения этого города-планеты, однако, если попытаться разобраться, то подобная концепция в корне не верна, как и многие другие концепции ретро-футуризма.


Давайте попытаемся разобраться, сколько в действительности людей может поместиться на нашей планете. Начнём с площади поверхности, которая составляет 510 миллионов квадратных километров. Если мы выделим по 1000 м² площади на каждого жителя (на которой должны разместиться его дом, рабочее пространство, средства обеспечения пищей, водой, энергией, место под хранение запасов, зона рекреации, и при этом размещаться всё это будет на одном уровне, наша планета сможет поддерживать население приблизительно в полтриллиона человек (500 млрд). Если же размещение будет в несколько этажей, то эта цифра может увеличиться на порядок – до квадриллиона человек, при этом, добавляя этажи, либо сокращая личное пространство, мы могли бы увеличивать эту цифру и дальше. Азимов ошибался как минимум на один порядок, и более близкими в данном случае выглядит Корусант из «Звёздных войн» или Терра из «Вархаммера», с населением в 1-2 триллиона человек.


Подождите! Не начинайте пока писать гневный комментарий! Мы только начинаем разбираться.

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

На самом деле квадриллион людей на Земле не разместить, и дело даже не в ресурсах или энергии, проблема в том, что каждый человек представляет собой нагреватель мощностью примерно в 100 Ватт. И квадриллион людей в сумме будут выделять 10¹⁷ Вт тепловой энергии (100 Петаватт), что суммарно сравнимо по мощности с объёмом энергии, которую планета получает от Солнца. И если мы планируем прокормить всех этих людей, данную цифру надо ещё как минимум увеличить примерно в 100 раз, даже в случае супер-эффективного способа производства продуктов питания, который смог бы конвертировать электричество и свет в пищевые калории с «фантастической» эффективностью в целый 1%! Для того, чтобы отдать такое тепло в космос посредством излучения, температура планеты должна будет увеличиться в три раза.


Следует так же учитывать, что доставка необходимых грузов из космоса (если предположить, что всё производство вынесено за пределы планеты), так же не обойдётся без выделения тепла, так как кинетическая энергия объекта, попадающего на поверхность нашей планеты, должна будет каким-то образом гаситься, то есть – превращаться в тепло.


По сути, тепло является единственным естественным ограничителем для увеличения численности населения планеты, если бы мы владели термоядерной энергетикой.


Теперь, давайте остановимся подробнее на ресурсах, которые нам нужны, а именно: воздух, вода, пища.


Воздух


Точнее – кислород. Является возобновляемым ресурсом, по сути, вдыхая кислород, мы связываем его с атомом углерода из нашего собственного тела, затем выдыхаем углекислый газ (CO₂). В среднем, человек вдыхает в сутки примерно 11 тыс. литров воздуха, при этом сжигается не весь кислород, а лишь примерно 550 литров (ссылка).


Помимо атмосферы, кислород содержится ещё и в земной коре, 40% массы которой приходится на кислород. Но предположим, что иных источников, кроме регенерации кислорода из углекислого газа у нас нет (наиболее энергозатратный процесс), поэтому мы воспользуемся «дедовским» способом и будем восстанавливать углерод при высокой температуре (http://carbon.atomistry.com/decomposition_carbon_dioxide.html). Массовая доля кислорода в углекислоте составляет ~73%, соответственно, нам необходимо получить 785 грамм кислорода (550 литров), что потребует нагрева 1075 г углекислого газа до температуры ~3500 °С, на что потребуется 3,17 Мегаджоуля энергии в день на человека. Здесь, впрочем, стоит отметить недавно открытый способ восстановления углерода при помощи ультрафиолета, который потенциально может оказаться дешевле (https://phys.org/news/2014-10-oxygen-molecules-carbon-dioxide.html). Добавим эту цифру в наш энергетический бюджет и пойдём дальше.


Вода


Является полностью восполнимым ресурсом, однако, регенерация и очистка воды так же требуют энергии. Вода нам необходима не только для питья, но и для гигиенических процедур. Ежедневно человек потребляет до 250 литров воды. Не располагая точными сведениями по всем возможным процессам очистки, я для наших прикидок взял минимальную энергию, необходимую на опреснение 100 литров (0,1 м³) океанской воды в день. В зависимости от используемого метода, это составит 0,25 – 7,2 МДж в день на человека.


Пища


В среднем, человек должен потреблять пищи, эквивалентом около 2500 калорий энергии ежедневно. При этом, допустим, соотношение растительной и животной пищи оптимально должно находиться в пропорции 70:30 (https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/6165-uchenye-nazvali-luchshee-sootnoshenie-rastitelnoy-i-zhivotnoy-pischi-v-ratsione), что потребует нам, соответственно 1750 калорий растительной и 750 – животной пищи. На этом ресурсе представлены текущие затраты энергии на производство некоторых видов пищевых продуктов.

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

Я позволил себе некоторую вольность и, основываясь на данных цифрах, усреднил показатели, получив потребность в 2,62 кг растительной и 0,4 кг животной пищи в день на человека, что эквивалентно, соответственно, энергии в 21,82 МДж и 31,72 МДж. Здесь следует отметить, что оценка затрат на производство продуктов питания проведена исходя из современных методик ведения сельского хозяйства и, соответственно, не учитывает передовых достижений в области вертикальных ферм, гидропоники, аэропоники и мяса из пробирки.


Так же следует отметить, что мясопроизводящий скот требует под пастбища в настоящее время до 80% возделываемых земель, но при этом производит менее 20% мирового потребления калорий.


Что касается площади, необходимой для выращивания необходимых культур, то примерно получается такая картина (http://www.waldeneffect.org/blog/Calories_per_acre_for_various_foods):

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

В среднем, для обеспечения нужд одного человека требуется посевная площадь порядка 255 м² или (для четырёхуровневой вертикальной фермы) квадрат 8×8 м, что вполне вписывается в отведённый в начале этого поста «лимит» в 1000 м². При освоении производства «мяса из пробирки», размер технологического оборудования так же, вряд ли будет превышать заданные габариты.


Здесь так же стоит отметить, что энергозатраты на производство растительной пищи дополнительно можно сократить, используя для этого светодиоды, испускающие излучение только в требуемом для фотосинтеза диапазоне.


Но, даже не прибегая к каким-либо новым технологиям, используя лишь существующие и проверенные методы, мы получаем максимально-возможные энергетические требования на 1 человека в размере ~ 60 МДж в день (16,67 КВт*ч) или 6084,55 КВт*ч в год.


Энергия.


Как, я надеюсь, уже понятно, энергия является основным сдерживающим фактором роста населения планеты. Существует много людей, считающих, что энергоресурсов на Земле не хватит не то, чтобы на триллион человек, но и уже не хватает даже для текущих 8 миллиардов. И они правы в контексте современной нефтебензиновой экономики, завязанной на извлечение энергии из ископаемых углеводородов. Но по мере исчерпания ископаемого топлива, мне слабо верится, что человечество вернётся к паровым двигателям и лошадкам.


Начнём с текущего производства электроэнергии (http://world.bymap.org/ElectricityProduction.html). По состоянию на конец 2014 года, мировая выработка электроэнергии составляла 3171 КВт*ч на человека в год, что в 2 раза меньше цифры, требуемой для обеспечения полной автономности каждого отдельного человека. Здесь я напомню, что в наших расчётах учтена энергия на полную регенерацию кислорода и воды, чего мы, разумеется, сейчас не делаем, а так же энергия на производство пищи. Однако, не стоит так же забывать, что доля возобновляемых источников энергии не превышает сейчас в лучшем случае и 25%, так что нам необходимо обеспечить выработку энергии из возобновляемых источников минимум в 7 раз больше, чем есть сейчас.


Так что, энергии на всех не хватает? Давайте посмотрим, где её можно взять. Начать с того, что в случае освоения термоядерной энергии, энергетический вопрос можно считать окончательно закрытым (см. Как термоядерный синтез решит почти все наши проблемы), но, поскольку термоядерная энергия вот уже более полувека остаётся энергией «завтрашнего дня», давайте посмотрим на альтернативы.


С самого начала следует оценить потенциал возобновляемых источников энергии. В тематической работе «The Potentials of Renewable Energy» международного комитета по возобновляемым источникам энергии приводятся следующие цифры:

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

Как видно из таблицы, возобновляемых ресурсов планеты даже при текущем техническом потенциале нам хватит, чтобы поднять выработку энергии в тысячи, а теории – в миллионы раз больше, чем мы это делаем сейчас.


И уж конечно, если этих источников нам, по какой-то причине, не хватит, на помощь приходит наш основной источник практически неисчерпаемой энергии – Солнце. Идея по передаче солнечной энергии из космоса на землю занимает умы людей уже давно (первая публикация на эту тему датирована 1968 годом, первый патент – 1973).

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите. Предполагается преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи (СВЧ, лазерное излучение), и передавать на поверхность в «концентрированном» виде.


Эффективность солнечных батарей с тех пор значительно возросла, а стоимость вывода грузов на орбиту – снизилась до такого уровня, что Национальное космическое общество США в 2007 году представило доклад, в котором рассматриваются различные аспекты данного вида энергетики.


При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35% энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будут получать в среднем в восемь раз больше света, чем те же панели на поверхности Земли и даже больше, когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. С другой стороны, недостатком космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 3 млн т. окупятся только в течение 20 лет, и это если принимать в расчёт удельную стоимость доставки грузов с Земли на рабочую орбиту 100 $/кг. Нынешняя же стоимость вывода грузов на орбиту намного больше.


Вторая проблема создания ОЭС — большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 40-50% полученной спутником энергии.


Ну и главным недостатком данной технологии, на мой взгляд, является то, что подобная энергетическая установка, по сути, является весьма эффективным оружием массового поражения, что в условиях современной политической ситуации будет являться главным стопором в её развитии.


Тем не менее, надеюсь, этим постом, я смог если и не развенчать миф о скором исчерпании ресурсов Земли и её перенаселённости, то, хотя бы, серьёзно расшатать позиции его сторонников.

Показать полностью 6
6162

Колонизация Венеры или как выжить в аду

Когда люди говорят о колонизации Солнечной системы, неизменно подразумевается, что первым кандидатом для колонизации должен быть Марс. Однако, у нас есть ещё одна соседка, которая почему-то не получает столько внимания, хотя, во многих отношениях она может стать даже предпочтительнее Марса. Я говорю о Венере. Забавно, но примерно до 60-х годов 20 века, именно Венера, а не Марс была основным кандидатом для колонизации.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Для начала, давайте сравним, куда проще долететь. Если брать классическую Гомановскую траекторию, то Венеры можно достичь примерно за 100 дней, в то время, как до Марса придётся лететь порядка 260 дней, то есть, Марс в 2,5 раза дальше. Кроме того, стартовое окно до Венеры открывается один раз в 584 дня, а до Марса – раз в 780 дней. Иными словами, до Венеры летать можно быстрее и чаще. Путешествие туда и обратно на Венеру будет на 30-50% короче, чем на Марс. Это значит, необходимо брать с собой меньше топлива, меньше еды, меньше воздуха. Это значит меньшее воздействие космических лучей.


С точки зрения размера, Венера – почти близнец Земле. Её диаметр составляет почти 95% диаметра Земли (12 тыс. км). Марс же значительно меньше – его диаметр всего 6,7 тыс. км. Сила тяжести на Венере почти земная (8,87 м/с²), в то время как на Марсе всего 3,72 м/с².

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Сравнение размеров Марса, Земли и Венеры


В рассказах о колонизации Марса, от проблемы его низкой гравитации отмахиваются, не уделяя её должного внимания, однако, даже те скудные данные о воздействии низкой гравитации на организм человека, которыми мы располагаем, позволяют говорить о том, что потеря костной массы в таких условиях может идти в 10 быстрее, чем при остеопорозе.


Венера расположена значительно ближе к Солнцу, что означает, что с одной солнечной панели можно получить в 4 раза больше энергии, чем на Марсе.


На Венере очень плотная атмосфера, которая представляет собой броню, гораздо лучше защищающую от космических лучей и метеоритов.


Но эта же атмосфера и представляет собой большую проблему. Венера – невезучая сестра-близнец Земли, где глобальное потепления и парниковый эффект вышли из-под контроля. Когда говоришь о климате на Венере, на ум просятся слова вроде «ад» или «инферно». Венера – самая горячая планета Солнечной системы. Когда-то Венера была холоднее и даже имела воду, но близость к Солнцу оказалась губительной. Всё дело в углекислом газе (CO₂) и солнечном свете. Наибольшая интенсивность солнечного излучения приходится на длину волну 600 нм. Углекислый газ не очень хорошо поглощает такое излучения и оно спокойно проходит сквозь атмосферу, достигая поверхности планеты. Поверхность от этого нагревается и испускает излучение обратно уже в инфракрасном диапазоне. А вот его уже углекислый газ прекрасно поглощает, в результате чего атмосфера разогревается. Как результат – разогрев поверхности до 457 °C, только при такой температуре возможно уравновесить количество полученной от Солнца энергии с количеством энергии, излучаемой обратно в космос. При такой температуре уже плавится свинец и цинк.


Разумеется, вся вода, которая и была на Венере, разложилась на кислород и водород, а, поскольку водород очень лёгкий, он и улетучился из атмосферы быстрее всего. Сама атмосфера при такой температуре имеет давление у поверхности в 91,7 раз, превышающее земное (эквивалентно погружению под воду на глубину примерно 1 км). При таком давлении, углекислый газ в атмосфере, строго говоря, уже не газ, а сверхкритическая жидкость. Над поверхностью планеты плывут облака, из которых идут дожди из серной кислоты, а из под поверхности практически непрерывно происходят извержения лавы. Венера первая по количеству действующих вулканов в Солнечной системе. «Райское местечко», не правда ли?!

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Поверхность Венеры в воображении художника…


Казалось бы, человек не сможет находиться на Венере хоть сколько-нибудь долгое время, даже в скафандре (рекорд длительности нахождения на поверхности даже для автоматических станций принадлежит аппарату «Венера-13», который смог проработать на поверхности целых 127 минут, прежде чем вышел из строя). Колонизировать Венеру нельзя!


Или можно?

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

… и в реальности (фотография, сделанная аппаратом «Венера-13»).


Наверное, основная проблема с Венерой заключается в том, что мы не находим интересным колонизировать место, куда нельзя воткнуть флаг. Но если на поверхности Венеры творится сущий ад, то, может быть, стоит посмотреть, что происходит на высоте примерно 50 км над поверхностью? А происходит там следующее – температура падает до 50-60 °C, но, что ещё более важно, давление там в точности такое же, как и на земле – ровно 1 атмосфера. Иными словами, для того, чтобы находиться там, человеку, возможно, и потребуется какой-нибудь теплоизоляционный костюм и простая кислородная маска, но ни в коем случае не космический скафандр, который потребовался бы нам на поверхности Марса, к примеру, или в открытом космосе. Да, есть ещё небольшой дискомфорт от тумана из серной кислоты, но с этим тоже можно справиться.


Да, это по-прежнему, суровые условия, однако, если подумать, это наиболее приближённые к Земным условия по сравнению со всеми остальными местами Солнечной системы. Так, может быть, стоит построить города в венерианских облаках? Специалисты из NASA даже разработали подробный концепт подобного поселения (H.A.V.O.C.).


Подробное описание проекта https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20160006329.pdf

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

На высоте 50-55 км над поверхностью атмосфера Венеры всё ещё практически целиком состоит из углекислого газа, который имеет молекулярную массу 44, что всё ещё тяжелее практически любого остального газа (для сравнения, кислород имеет молекулярную массу 32, азот – 28, гелий – 4, водород – 2), а это значит, что любой более лёгкий газ может обеспечить подъёмную силу для аэростатов и дирижаблей. Да, это значит, что баллон, наполненный даже обычным земным воздухом, сможет свободно парить в атмосфере Венеры, а баллоны, наполненные водородом и гелием будут даже эффективнее, чем на Земле. При этом, из-за практически полного отсутствия кислорода в атмосфере, водород можно использовать, не опасаясь пожаров.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Серная кислота, присутствующая в атмосфере Венеры, будучи крайне неприятным на первый взгляд веществом, в то же время является весьма ценным ресурсом, так как при разложении может обеспечить вас водой, а равно – кислородом и водородом, которые можно использовать как для дыхания, так и для наполнения баллонов.


Освещённость на такой высоте будет близка к земным показателям, однако тот факт, что Венера имеет ретроградное вращение вокруг своей оси делает длительность суток на Венере равные по продолжительности 243 земных. Иными словами, год на Венере короче, чем Сутки (225 дней). Столь медленная смена дня и ночи, возможно, даже к лучшему, так как это позволяет сравнительно легко поддерживать движение, оставаясь всё время на освещённой стороне, что позволит получать больше солнечной энергии на выращивание растений, синтез удобрений (азота в атмосфере всего 3%, но количественно его больше, чем в атмосфере Земли из-за большой плотности). Напомню, что эффективность солнечных панелей на Венере в 1,98 раза выше, чем на Земле.


Когда мы говорим о дирижаблях и воздушных шарах, на ум приходят весьма «хлипкие» конструкции из истории земного воздухоплавания, однако, современные лёгкие и прочные материалы, такие как графен, могут позволить создавать весьма крупные и прочные летающие конструкции. При этом, материалы можно извлекать прямо из атмосферы Венеры, так как чего-чего, а углерода в ней предостаточно.


Кроме того, подобные материалы потенциально могут выдержать адские условия у поверхности планеты, поэтому их можно применять для изготовления тросов, при помощи которых можно либо закреплять летающие конструкции, либо даже перемещаться.


Изобилие солнечного света и плотная атмосфера Венеры позволяет так же сооружать крылатые пропеллерные летательные аппараты на электрической тяге, способные находиться в полёте практически неограниченное время, чего нельзя, к сожалению, добиться на Марсе, где с полётами из-за низкой плотности атмосферы всё обстоит гораздо сложнее.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Не стоит и говорить о том, что использование подобных летательных аппаратов значительно удешевляет подъём на орбиту и спуск с неё.


Как видите, Венера может предоставить все условия для проживания, пусть не на поверхности, а на высоте 50-60 км, но, в то же время, условия нахождения колонистов на Венере во многих отношениях даже лучше, чем они предполагаются на Марсе.


Но когда мы говорим о колонизации, мы говорим не только о выживании во враждебных условиях, мы говорим ещё и о терраформировании – трансформации планеты до условий, близких к земным. И если, когда мы говорим про Марс, мы говорим о том, что в первую очередь надо подогреть и уплотнить атмосферу, ради чего предлагается сбрасывать на поверхность водородные бомбы или даже естественные его спутники, то в случае Венеры задача ровно обратная – планету надо охладить.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Терраформированная Венера в представлении художника


По сложности исполнения, что то, что другое находится на пределах возможностей человечества, но, в то же время, вменяемых проектов по трансформации Марса с гарантией результата, пока никто не предложил, охлаждение Венеры представляет собой, пусть и сложную, но выполнимую задачу с инженерной точки зрения. Поскольку основным фактором, разогревающим Венеру, является солнечный свет, решение, напрашивается само собой – надо поместить планету «в тенёк», то есть – соорудить экран, блокирующий часть солнечного света.


В 1991 году британский учёный Пол Бёрч (Paul Birch) опубликовал исследование «Terraforming Venus Quickly», где предлагается натянуть перед Венерой солнечный экран, что приведёт к охлаждению планеты и снижению атмосферного давления, сначала до ~30 °C и ~74 атмосфер (критическая точка двуокиси углерода), а затем до – 56 °C и давления ~5 атмосфер (тройная точка двуокиси углерода). Ниже этой точки углекислый газ переходит из газообразного состояния в твёрдое и оседает на поверхности в виде сухого льда. Этот сухой лёд можно будет либо утилизировать, либо транспортировать на Марс (уже для нужд его терраформирования). На весь процесс по расчётам Бёрча уйдёт сравнительно немного времени: от 80 до 200 лет, что действительно очень мало, когда мы говорим о процессах терраформирования планет.


Дополнительно, при помощи солнечного зеркала, расположенного на полярной орбите можно добиться даже имитации 24 часовой смены дня и ночи.


Подобное зеркало или экран можно разместить в точке L1, и на его изготовление, в принципе, уйдёт не так много материала, как может показаться на первый взгляд, так как тончайшего листа фольги или графена будет достаточно, чтобы заблокировать солнечное излучение. Разумеется, это зеркало не должно быть ни сплошным, ни монолитным. Множество «маленьких» (100 × 100 м) зеркал справится с этой задачей даже лучше, так как каждый элемент подобного сооружения можно конфигурировать индивидуально.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Один из элементов «венерианского тента».


Большей проблемой терраформирования Венеры является практически полное отсутствие воды. Хотя воду для жизни небольшой колонии можно получить из серной кислоты, для трансформации Венеры воды потребуется гораздо больше (минимально-необходимое количество – примерно 2% от объёма воды на Земле или 30 млн. км³). Возить такое огромное количество воды, разумеется, накладно (впрочем, когда мы говорим о терраформировании, дешёвых путей нет), поэтому предлагается «импортировать» не воду, а только водород, а воду «изготавливать» уже на месте, благо, кислорода во внутренней солнечной системе предостаточно.


Более быстрый путь – сбросить на Венеру один из спутников Сатурна. Да, при этом, даже предлагается конкретный способ и конкретный кандидат – Гиперион, состоящий преимущественно изо льда. Для его перемещения при помощи тех же зеркал планируется сфокусировать солнечный свет в нужной точке его поверхности так, чтобы растопленный светом лёд формировал реактивную струю, что примерно за 30 лет приведёт его орбиту вокруг Сатурна к более эллиптической форме и приблизит его к другому спутнику Сатурна – Титану. Затем, планируется использовать Титан для гравитационного манёвра по ускорению Гипериона в сторону Венеры. Если всё рассчитать правильно, столкновение Гипериона с Венерой не только обеспечит её необходимой водой, но и сможет ускорить вращение самой Венеры вокруг своей оси, тем самым, укорачивая период смены дня и ночи на ней.


Проекты, подобные этому, кажутся сейчас фантастикой, но, если вдуматься, то трансформация Венеры требует гораздо меньше времени и усилий, чем аналогичные проекты в отношении Марса, при этом, условия на Венере могут быть даже лучше, чем на Марсе.

Показать полностью 8
150

Время, термодинамика и мозг Больцмана

Время – концепция, с которой мы все знакомимся, наверное, ещё до того, как научимся ползать, если не раньше. Однако, если попытаться дать определение понятию «время», мы столкнёмся с некоторыми трудностями. Это настолько фундаментальное понятие, что дать определение ему очень сложно. Обратимся к учёным. И так, время это:


– то, что измеряют часы (Альберт Эйнштейн, физик).

– то, что препятствует событиям происходить одновременно (Джон Уилер, физик)

– линейный континуум мгновений (Адольф Грюнбаум, философ)

– определённый период, в течение которого что-то происходит (медицинский справочник)

– континуум, лишённый пространственных измерений (Британская энциклопедия)

– форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения (Википедия)


Время не является чем-то, что можно увидеть или потрогать. Время – не просто измерение, характеристика или концепция, у времени, если подумать, есть множество аспектов, разных для разных людей. Единой и общепризнанной теории времени в настоящее время не существует. Физика рассматривает время как априорную характеристику мира, которая ничем не определяется.


Объекты и материя, с которой мы взаимодействуем в повседневной жизни, совершенно определённо не проявляют симметрию во времени (протекающие процессы имеют естественный временной порядок, и мы можем чётко проследить направление времени). Мы прекрасно можем интуитивно определить, в каком порядке были сделаны снимки этого яйца:

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Но объекты на микроскопическом уровне почти всегда обладают такой симметричностью. Проще говоря, если бы нам довелось смотреть видеозапись макро-процесса (разбивающийся стакан, к примеру) в обратном направлении, мы смогли бы в большинстве случаев распознать, что смотрим запись «задом-наперёд», однако, в микро-мире (взаимодействие молекул, атомов, элементарных частиц), однозначно сказать, в каком направлении протекает процесс на записи мы не сможем. В какой-то степени аналогией может служить запись упругого столкновения двух бильярдных шаров, отскакивающих после удара друг от друга.


Почти все фундаментальные физические законы, по которым развивается наша вселенная, не требуют указания направления времени. Они полностью симметричны относительно времени (это называется T-симметрия). Есть лишь одно исключение – второе начало термодинамики.


Мы говорим о времени, при чём здесь термодинамика?


В 1824 году французкий офицер Сади Карно опубликовал свою первую и единственную книгу под названием «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Это был, в сущности, анализ существовавших в то время паровых машин, КПД которых в то время не превышал 2%, а так же рассматривалась модель идеальной тепловой машины. В процессе своих умозаключений, Карно пришёл к выводу, что какое бы вещество ни использовалось в паровой машине в качестве рабочего тела, её КПД будет зависеть исключительно от разницы температур, в пределах которой работает машина.


Позднее, Немец Рудольф Клаузиус в 1850 году сделал дополнительное эмпирическое наблюдение: «Теплота не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более тёплому». Собственно, следствием этого наблюдения и является второе начало термодинамики. Ведь температура – это мера кинетической энергии молекул вещества, чем быстрее они движутся, тем более высоким будут показания термометра. Для наглядности возьмём бильярд, но допустим, что трение шаров о поверхность стола нулевое, а столкновения шаров – абсолютно упругие. Если на таком бильярде разбить пирамиду, то один быстрый биток передаст так или иначе свою энергию остальным шарам и они будут продолжать столкновения друг с другом и стенками до тех пор, пока скорости (импульсы) всех шаров не станут одинаковыми относительно друг друга.


И даже на уровне интуиции понятно, что в силу закона сохранения импульса, скорость ни у одного из шаров не может быть больше первоначальной скорости битка.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Если бы шары были молекулами идеального газа, то мы бы сказали, что система достигла термодинамического равновесия – то есть внутри этой системы невозможно дальнейшая передача энергии (при любом соударении, импульсы шаров не изменятся), соответственно, никакой работы эта система производить не может.


Чтобы иметь возможность количественно охарактеризовать степень близости системы к подобному состоянию, Клаузиус ввёл понятие «Энтропия», как меру количества микросостояний, в которые может перейти система. Если определённое состояние А системы может быть достигнуто большим числом способов, чем другое состояние Б, то и вероятность перехода системы в состояние А больше, чем вероятность перехода в состояние Б.


Чтобы было проще, давайте посмотрим на пару игральных костей. Данная система может иметь 11 различных макросостояний (сумма чисел на гранях от 2 до 12) и 36 микросостояний (индивидуальные значения каждой грани – 6 * 6). Есть лишь одно микросостояние, когда на костях выпадет 2, и 6 различных микросостояний, когда на костях выпадет 7. Соответственно, вероятность выпадения семёрки гораздо выше:

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Чем больше микросостояний (комбинаций возможных значений) у заданного макросостояния, тем выше энтропия, и наоборот. Если мы постоянно бросаем кубики, то система с большей вероятностью будет переходит в состояние с максимально возможной энтропией. Если же вместо 2 кубиков мы возьмём триллионы молекул газа, то вероятность перехода этой системы к хоть сколько-нибудь упорядоченному состоянию будет стремиться к нулю (однако, никогда не будет нулевой – это важно, но об этом чуть позже!)


При попытке сравнить энтропию с мерой беспорядка можно попасть во множество не совсем очевидных ловушек, так как следует осторожно подходить к определению беспорядка и всегда помнить, что энтропия измеряет не беспорядок, а количество микросостояний. Возьмём два стакана – один наполнен осколками льда, второй – просто водой.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Количество молекул воды в обоих стаканах примерно одинаковое, но беспорядочно-смешанные осколки льда кажутся нам более беспорядочными, чем ровный слой воды во втором стакане, однако, лёд накладывает ограничение на количество способов распределения молекул в стакане, а в воде таких ограничений нет, соответственно, энтропия больше у воды, чем у льда.


Наконец, в 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман вывел и доказал свою знаменитую H-Теорему: «При временной эволюции к равновесному состоянию, энтропия внешне замкнутой системы возрастает и остаётся неизменной при достижении равновесного состояния».


Стрела времени


Вернёмся ко времени. Время, как нам кажется, имеет направление. Мы живём в настоящем, наше прошлое находится позади нас, оно «фиксировано» и неизменно, доступно нашей памяти или письменным документам. Перед нами – будущее, которое мы можем предсказывать с переменным успехом, основываясь на нашем опыте и наблюдениях, но без всяких гарантий.


Большинство событий, свидетелями которых мы становимся, необратимы. Можно смешать сметану и борщ, но нет никакой возможности снова разделить их. Можно разбить вазу, но обратить процесс так, чтобы она снова стала целой – невозможно. Время кажется ассиметричным, и именно это наблюдение послужило отправным пунктом для концепции «стрелы времени», того, что даёт нам впечатление продвижения вперёд во времени мгновение за мгновением.


Идею стрелы времени рассмотрел и разработал британский астроном Сэр Артур Эддингтон в 1927 году. Интересовало его то, что та же самая «стрела времени» должна быть применима и к любой внеземной цивилизации на другом конце вселенной, поэтому восприятие направленности времени не имеет ничего общего с нашей физиологией или психологией.


Однако те, кто знаком с основными положениями теории относительности, знают, что реальность нашей вселенной может быть описана 4-мерным пространством-временем, и время на самом деле никуда не «течёт», оно просто «есть». Таким образом, восприятие стрелы времени в нашей повседневной жизни является не более чем иллюзией нашего сознания. По всей видимости, именно так наш мозг воспринимает нарушение Т-симметрии в макромире.


Во всех макро-процессах существует выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Чем больше порядок системы, тем сложнее восстановить его из беспорядка (тем больше требуется энергии).

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

У кого-то может возникнуть возражение – ведь, совершая работу по упорядочиванию какой-либо структуры, я тем самым уменьшаю энтропию. Данное возражение обычно возникает у тех, кто не делает разницы между открытой и закрытой системой. Открытая система свободно обменивается энергией с окружающей средой, что позволяет локально уменьшить энтропию за счёт ещё большего увеличения её во внешней среде (помните, что КПД больше 100% невозможен). По этой причине, например, вода может замерзать, образовывая сложные, упорядоченные кристаллы с более низкой энтропией. Но это происходит потому, что тепловая энергия передаётся окружающему воздуху, увеличивая его энтропию. Увеличение энтропии воздуха будет всегда больше, чем уменьшение энтропии воды.


Из второго начала термодинамики следует и неутешительный прогноз для всего, из чего состоит наша Вселенная. Если она является закрытой системой, то рано или поздно её ждёт состояние максимальной энтропии – полного термодинамического равновесия, в условиях которого уже не сможет протекать никакой процесс обмена энергией – тепловая смерть.


Хаос и флуктуации


Очень часто можно слышать термин «Второй закон термодинамики». Лично мне больше нравится термин «второе начало», так как, строго говоря, никакой это не закон, а всего лишь статистическое наблюдение, не более того. С вероятностной точки зрения даже самое маловероятное событие вполне возможно, а если при этом мы будем наблюдать систему неограниченно-долгое время, то любая вероятность, даже самая мизерная, будет стремиться к единице.


Статистический характер второго закона термодинамики указывает на то, что увеличение энтропии отражает наиболее вероятный путь изменений. Согласно формулировке самого Больцмана, «никакое неоднородное распределение, сколь бы маловероятно оно ни было, не является строго невозможным».


Для реальных систем, состоящих из большого числа частиц, очень высокая вероятность направления протекания какого-либо процесса практически означает его достоверность.


Однако и в таких системах всегда наблюдается в отдельных участках некоторые небольшие отклонения свойств от средних значений – колебания концентрации в растворах, плотности, давления, температуры и т.д. Такие случайные отклонения называются флуктуациями.


Наблюдаемая необратимость процессов в природе связана со стремлением систем к переходу в наиболее вероятное состояние, однако, в принципе, пусть с исчезающе малой долей вероятности, энтропия системы может и уменьшиться, а это значит, что ваза теоретически может спонтанно собраться в единое целое из осколков, а сметана с борщом случайно разделятся на два слоя. Если бы мы стали свидетелем подобного, то, скорее всего, мы бы это восприняли как движение во времени вспять, назад в прошлое.


Начало начал, происхождение вселенной


Зная всё это, невольно задаёшься вопросом, а каким образом наблюдаемая нами Вселенная «всего» каких-то 13,5 млрд. лет назад представляла собой систему с крайне низкой энтропией (состояние большого взрыва, когда вся она умещалась в одной бесконечно малой точке с бесконечно большой плотностью). Что это, тоже флуктуация?


В спорах вокруг попыток объяснить происхождение Вселенной было сломано немало копий. Здесь особенно сильно проявляют себя креационисты, заявляющие, что, коль скоро вероятность подобной флуктуации не просто низка, а настолько стремится к нулю, что человеческому воображению не за что зацепиться, чтобы сравнить эту исчезающе-малую вероятность хоть с чем-либо, то вполне логично напрашивается вывод о том, что наша вселенная была создана вследствие вмешательства какого-то внешнего агента (или, как они говорят «Создателя»).


Впрочем, есть среди креационистов и подвид, получающий меньше насмешек в свой адрес, однако, их позиция выглядит, в целом, нисколько не лучше, но и не хуже позиций классических креационистов. По их мнению, мы живём в некоей компьютерной симуляции (думаю, многие смотрели «Матрицу»). С моей точки зрения, автор данной симуляции является для нашей вселенной богом-творцом в понимании почти всех классических религий.


Есть, однако, и альтернативные теории. Например, теория о мультивселенной. гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая ту, в которой мы находимся). Популярной данная теория стала благодаря американскому физику Хью Эверетту, который сделал попытку интерпретировать квантовую механику наличием бесконечного множества различных параллельных миров.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Строго говоря, время – метрика лишь нашей вселенной, её пространства-времени. Мы не знаем ничего о том, что находится за её пределами. Космолог Макс Тегмарк высказал предположение, что любому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая вселенная. Это предположение, хотя и не поддаётся экспериментальной проверке, привлекательно тем, что снимает вопрос, почему наблюдаемые физические законы и значения фундаментальных физических постоянных именно такие (см. тонкая настройка Вселенной).


Если предположить, что в мультивселенной, которая может существовать вне времени, происходит неограниченное количество флуктуаций, каждая из которых порождает собственную вселенную, то нет ничего странного в том, что рано или поздно кубики выпали так, что создалась именно наша вселенная, именно с такими физическими законами, где именно так эволюционирует материя.


Российский астрофизик Николая Кардашёв (автор «Шкалы Кардашёва») предполагает, что, если гипотеза Мультивселенной верна, то наиболее развитые цивилизации покинули нашу Вселенную и переселились в другие, более подходящие для них.


Больцмановский мозг


Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Есть и другая возможность объяснения, довольно жуткая. Задумайтесь вот о чём, если мы допускаем, что рождение нашей вселенной – гигантская флуктуация (мой поклон братьям Стругацким), то образование одной только Солнечной системы при флуктуации вероятнее, чем образование целой Вселенной. А образование одного человека-наблюдателя вероятнее, чем образование целой Солнечной системы. А ещё вероятнее образование одного только мозга, чем целого человека. И в принципе, всё, что вы воспринимаете как объективную реальность, вся ваша память, чувства, планы, переживания, ваши представления об окружающем мире могут быть всего лишь плодом вашей же фантазии, а в действительности вы – лишь случайно сформировавшийся мозг.


Вообще, в попытках объяснить природу возникновения вселенной, мы не можем выйти за классические критерии научного метода, а именно – фальсифицируемости той или иной теории. Поскольку нет способов опровергнуть ни одну из этих теорий, все они, строго говоря, не научны. А уж во что верить – выбирайте сами.

Показать полностью 6
220

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне?

Предыстория


В 2015 году телескоп Кепплер обнаружил периодическое изменение блеска звезды KIC 8462852 в созвездии Лебедя, которая получила ещё название Звезда Табби. Собственно, в этом явлении не было бы ничего необычного, кроме того, что подобное падение яркости не характерно для звёзд этого типа.


Её светимость падала на величину до 22 процентов, причём такие падения наблюдались на протяжении различных промежутков времени (от 5 до 80 дней), что привело к появлению большого количества гипотез от проблем с телескопом до инопланетян.


Астроном Брэдли Шефер после изучения исторических снимков этой области неба, делавшихся с 1890 по 1989 года, заметил, что за это время яркость звезды уменьшилась на 20 %. Чтобы исключить возможность ошибок, Шеффер лично отправился в Гарвард, чтобы изучить оригиналы снимков. По мнению Шефера, кометная гипотеза для объяснения наблюдаемых эффектов уже не годится. По его расчётам, для такого затемнения перед звездой должно было пролететь не менее 648 000 комет, каждая диаметром от 200 км, что является совершенно невероятным.


24 апреля 2017 года началось очередное падение яркости KIC 8462852 (первое с 2013 года). Наблюдение звезды велось десятками телескопов. После этого звезда стала возвращаться к своей обычной яркости. 19 и 20 мая 2017 года снижение яркости составляло 3 %.


Мерцание KIC 8462852 может указывать на попытку строительства астроинженерного сооружения типа сферы Дайсона (я про них писал в посте "Как укротить звезду") или другого набора гигантских объектов (например, коллекторов света), которые высокоразвитая внеземная цивилизация построила для аккумулирования энергии своей звезды, что сразу взбудоражило общественное мнение.


Теперь, собственно, история


Постепенно страсти углеглись, так как "It is never aliens" (Это никогда не инопланетяне), да и институт SETI, долго вслушиваясь в радиодиапазон, идущий от звезды, не обнаружил никаких упорядоченных сигналов. Но вот месяц назад, была обнаружена ещё одна звезда, которая ведёт себя ещё более странно.


В своей работе The Random Transiter – EPIC 249706694/HD 139139, опубликованной месяц назад ряд астрономов обратили внимание на ещё одну странную звезду (а точнее - систему из двух звёзд), известную как HD 139139, расположенную в созвездии Весов. Редкость и необычность этой системы обуславливается уже тем, что она принадлежит к 0,5% звёзд, из окрестностей которых можно наблюдать прохождение нашей планеты на фоне Солнца.


Но и это было бы не так интересно, как то, что данная звезда тоже изменяет свой блеск. Но, в отличие от звезды Табби, делает она это нерегулярно и очень странно:

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне? Космос, Астрономия, Космические исследования, Наука, Длиннопост

На графике показана наблюдаемая светимость HD 139139 - за период наблюдений в 87 дней, спады яркости происходили 28 раз, и что самое загадочное - они происходили нерегулярно, то есть это явление не могло быть вызвано планетой обращающейся вокруг этой двойной системы (либо вокруг одной из звёзд).


Альтернативой было бы предположить, что в данной системе присутствует 28 очень близких друг другу по размеру планет, движущихся практически по одной и той же орбите, вероятность чего исчезающе мала.


Ещё была сделана попытка объяснить феномен разрушением планеты, однако, и эту гипотезу довольно быстро отмели, так как разрушение планеты должно было выглядеть примерно так:

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне? Космос, Астрономия, Космические исследования, Наука, Длиннопост

Затем была попытка объяснить наблюдаемое снижение яркости особо-крупными тёмными пятнами на поверхности одной из звёзд. Но тогда мы должны были бы наблюдать подобные явления и на других двойных системах схожего типа, коих в наблдюдаемой области космоса не мало.


Разумеется, в опубликованной работе нет ни слова про возможные астросооружения, так как It is never aliens, но я уверен, в ближайшем будущем, журналисты обязательно подробно нам расскажут о том, что именно там строят зелёные человечки.


В опубликованной работе не делается никаких конкретных выводов. Астрономы признаются, что не смогли найти убедительного объяснения наблюдаемым явлениям, а целью работы было привлечь больше внимания со стороны сообщества астрофизиков, чтобы попытаться найти ответ.


Ссылка на публикацию: https://arxiv.org/pdf/1906.11268.pdf


P. S.

Ну конечно же, это инопланетяне! :)

Показать полностью 2
1939

Как делают микропроцессоры

Продолжение

Часть 1 (О полупроводниках вообще и о диодах)

Часть 2 (Транзисторы)

Часть 3 (Как заставить машину считать при помощи транзистора)


...потому как на бумаге всё просто, но блин, как они это всё запихнули в чип размером с ноготь?!

(один из комментариев к предыдущему посту)
Ну что же, вот об этом сейчас и пойдёт речь.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Увеличенное изображение неразрезанных кристаллов процессоров Intel Core I7.


Действительно, разбираясь в том, как работают транзисторы, нельзя обойти вниманием вопрос миниатюризации. На современных чипах размером с тетрадную клетку располагаются несколько миллиардов транзисторов, размер каждого из которых колеблется в пределах нескольких нанометров (одна миллиардная часть метра). Создание подобных монстров - задача, с которой в наше время люди справляются только при помощи средств компьютерного проектирования.


Чтобы дать представление о том, насколько сложна структура современного микропроцессора, предлагаю взглянуть на самую простую схему самого простого, самого первого коммерческого микропроцессора фирмы Intel 4004.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Кристалл этого 4-битного микропроцессора имел площадь 12 мм², размер каждого из 2300 транзисторов был «огромным» по современным меркам (10 мкм), транзисторы на современных кристаллах имеют размер примерно в тысячу раз меньше!

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

А вот, что представлял собой кристалл этого процессора:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Создание микропроцессора начинается с процесса его проектирования. Задача конструкторов создать и предварительно протестировать схему микропроцессора. Выпуск новой схемы занимает труд десятков, если не сотен инженеров, и занимает месяцы подготовки. Когда процесс проектирования будет закончен, необходимо изготовить фотошаблон для нового чипа. Для того чтобы оценить важность данного процесса и цену ошибки, достаточно сказать, что нажатие кнопки PRINT в данном случае «стоит» от 600 тыс. до 1 млн. долларов США, а для набора шаблонов стоимость может исчисляться уже десятками миллионов долларов.


Создание фотошаблона (для современных многослойных схем микропроцессоров речь идёт уже о наборах фотошаблонов) – наверное, наиболее важный (после проектирования) процесс в технологии изготовления микропроцессоров.
Фотошаблон обычно представляет собой кусок стекла, с напылением из хрома, на который нанесено «негативное» изображение интегральной схемы. Оно обычно в несколько раз больше тех размеров, которые впоследствии примет изготовленный микрочип, но исключительная сложность современных процессоров и огромное количество транзисторов всё равно позволяют разглядеть отдельные детали только при помощи довольно мощного микроскопа.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Готовый фотошаблон очень тщательно (буквально каждую дорожку) проверяют на предмет дефектов. Для этих целей служат как специальные машины, но используется и труд людей, проверяющих шаблон при помощи микроскопов. Работа с шаблонами производится в т. н. «чистой комнате», где содержание пыли и посторонних примесей сведено до минимума – люди ходят в специальных костюмах – любая пылинка на шаблоне произведёт эффект деревянного бревна, упавшего на карточный домик.


Когда фотошаблон изготовлен, приходит время его «печати» на том, что впоследствии станет микропроцессором. Процесс (вернее, целое семейство технологических процессов) называется фотолитография и по своим базовым принципам очень похож на процесс печати фотографий с негатива).


Начинается всё с обычного кварцевого песка.


Песок проходит целую серию процессов по очистке и химических реакций, целью которых является получение чистейшего кремния. Для экономии места позвольте мне опустить технические детали процесса очистки.


Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.


В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решётку. Так выращивают кристаллы соли, так растёт и кристалл кремния.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.


За это время образуется цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура — идеальная кристаллическая решётка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объёму.


Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.


После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решётки, заготовку помещают в установку для резки. Проволочная пила с алмазным напылением нарезает кристалл на блины (или вафли от англ. wafer) толщиной примерно в 1 мм.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Когда такой гигант процессоростроения, как Intel только начинал производить чипы, он использовал «вафли» диаметром всего 2 дюйма. Теперь, для удешевления процесса, используются «вафли» диаметром 12 дюймов (~300 мм).


Какой бы тонкой и гладкой ни была пила, всё равно заготовка будет иметь сколы, микроповреждения и царапины, поэтому каждую пластину дополнительно полируют. Но и этого оказывается недостаточно, поэтому окончательная полировка производится уже химическими реагентами.


Следующим этапом является нанесение на вафли фоторезиста – полимерного светочувствительного материала. По своим химическим свойствам фоторезист очень похож на материал, который наносился на фото- и киноплёнки в ещё сравнительно недалёком прошлом. Разница в том, что на старых плёнках фоторезист изменял свои химические свойства под действием видимого света, сейчас же используется ультрафиолетовое излучение.Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту).


Теперь приходит время для непосредственного экспонирования – подготовленный фотошаблон помещается под ультрафиолетовый лазер, и, сильно уменьшенное изображение с фотошаблона проецируется на слой фоторезиста, на машине под названием «степпер» (от англ. step – шаг) – на одну «вафлю» проецируется множество копий одной и той же маски:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Почему ультрафиолет? Всё дело в длине волны. Получение чёткой проекции микроскопического объекта зависит от длины волны излучения и разрешающей силы оптической системы. В современной промышленности используют глубокий ультрафиолет эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Но и этого оказывается недостаточным для изготовления транзисторов по тех. процессу ниже 50 нм (когда говорят о техпроцессе, имеют в виду линейные размеры одного транзистора). Фотолитография на глубоком ультрафиолете использует уже не линзы, а многослойные зеркала, где каждый слой даёт слегка отличающуюся от предыдущей интерференционную картину, а комбинированное отражение всех слоёв позволяет получить изображение меньшее, чем длина волны используемого излучения. Тем, кто интересуется темой более подробно, в англоязычной версии Википедии есть великолепная статья на эту тему.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Но двинемся дальше. Те области на вафле, покрытой фоторезистом, куда попал ультрафиолет, могут быть смыты специальным химическим составом (например Гидроксидом тетраметиламмония), таким образом на нашей заготовке проявится «отпечаток» будущего микропроцессора. Но работа на этом только начинается.
После травления, на кремниевой подложке образуются бороздки, повторяющие рисунок первого слоя микропроцессора:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

На следующем этапе происходит легирование основы. О том, зачем нужно легирование, можно ознакомиться в первой части данной серии. На данном шаге участки подложки обогащаются ионами, в результате чего кремний меняет свои физические свойства, позволяя процессору управлять потоками электрического тока. Ионизированные ядра атомов легирующего вещества разгоняются в электрическом поле до огромных скоростей и внедряются в незащищённые слоем фоторезиста области подложки.


После легирования заготовка покрывается оксидной плёнкой (в данном технологическом процессе используется термин High-K, характеризующий материал с диэлектрической проницаемостью большей, чем у диоксида кремния). Название происходит от диэлектрической константы материала, обозначаемой греческой буквой κ – каппа. В более старых технологических процессах использовался, собственно сам диоксид кремния. Он был хорош до поры, его слой можно было выращивать путём высокотемпературного окисления на самом кремниевом слое, однако, с уменьшением площади транзистора, уменьшалась и площадь затвора, а следственно – его ёмкость. Чтобы увеличить ёмкость можно уменьшать слой диэлектрика под затвором, но если его толщина уменьшается менее 3 нм, начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов, которые попросту туннелируют через этот смехотворный барьер, создавая ток утечки, и, чем тоньше слой, тем сильнее проявляется этот эффект. Изготовление подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить его толщину, одновременно увеличивая ёмкость затвора, обеспечивая снижение тока утечки на несколько порядков по сравнению с более тонким диэлектриком из диоксида кремния. При производстве современных чипов используются силикат или оксид гафния. На картинке слева – транзистор, обработанный слоем фоторезиста, справа – состояние после смывки облучённого фоторезиста.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Ненужный нам теперь слой диэлектрика так же смывается химическим путём:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

На данном этапе транзисторы на схеме уже готовы, но они не соединены друг с другом. Следующие два этапа – нанесение изолирующего слоя, где в местах, где расположены терминалы транзисторов уже знакомым нам образом вытравливаются отверстия. После этого, вафлю помещают в раствор сульфата меди и гальванизируют. В ходе этого процесса, медь покрывает всю поверхность заготовки:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Излишек меди убирается шлифовкой, после чего транзисторы соединяются между собой:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Порядок соединения зависит от архитектуры процессора и определяется на стадии проектирования. Хотя чип и может выглядеть «плоским», соединения могут достигать «этажности» до 30 слоёв.
На заключительной фазе, нашу «вафлю» нарезают, получая, тем самым, отдельные чипы, после чего останется только поместить их в защитный корпус:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Соединение миллиардов транзисторов невероятно сложная задача, от их качества зависит в конечном итоге производительность процессора, поэтому каждый чип проходит этап тестирования (причём, часть тестов проводится ещё до «нарезки») где определяются его выходные характеристики. Поскольку работа идёт с невероятным уровнем миниатюризации, ошибки и дефекты при изготовлении практически неизбежны.


Но наличие дефекта ещё не означает, что процессор не может работать. Коррекции ошибок уделяется особое внимание ещё на стадии проектирования, поэтому в схему нередко заложена некоторая избыточность. Часть бракованных чипов, например, может работать на более низких частотах, поэтому далеко не всегда два процессора, изготовленные на одной «вафле», будут иметь одинаковую маркировку.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

О законе Мура.


Ещё в 1965 году, американский инженер, один из основателей компании Intel, Гордон Мур, в одной из своих работ сделал наблюдение, которое впоследствии назвали «Законом Мура». Он гласил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца (причём, изначально речь шла о 12 месяцев).


И действительно, если проследить эволюцию микропроцессоров, данный закон более-менее соблюдался почти 40 лет, до начала 2010-х годов, пока инженеры не «упёрлись» в физические пределы, во-первых, разрешающей возможности оптики для процесса фотолитографии, во-вторых – в минимально-необходимое расстояние между двумя терминалами транзисторов, где туннельный эффект ещё можно игнорировать. Чтобы ощутить, насколько мал транзистор, изготовленный по тех. процессу 14 нм, достаточно узнать, что это всего лишь 70 атомов (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм).


Хотя, инженеры продолжают добиваться поразительных успехов в данной области, например, в 2012 году, исследовательская команда в университете Нового Южного Уэльса объявила о первом транзисторе, состоящем из единственного атома, несложно предположить, что конец закона Мура не за горами, и тех. процесс в 7 нм, возможно, будет последним в погоне за миниатюризацией.

Показать полностью 15
1003

Как заставить машину считать при помощи транзисторов?

Продолжение. Часть 1 Часть 2

В предыдущих частях я рассказал о полупроводниковых приборах, диоде и транзисторе, благодаря которым человечество смогло сменить технологический уклад и войти в компьютерную эру.
Однако, описывая устройство транзистора, я так и не коснулся того, каким образом из этого относительно простого устройства можно сделать компьютер. Что же, сейчас я постараюсь объяснить.

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Двоичная логика
Думаю, что ни для кого, кто не прогуливал информатику в школе, не будет секретом, что в компьютерах используется двоичная система счисления, и счёт идёт следующим образом: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000, и т .д. Когда мы имеем дело с простой электрической цепью, нам доступно, по сути, всего два состояния: напряжения в цепи нет, и напряжение в цепи есть, которые можно обозначить за 0 и 1, соответственно. Люди привыкли считать в десятичной системе счисления (наверное, потому, что у большинства из нас по 10 пальцев на руках). Машину тоже можно научить считать в десятичной системе, однако это не очень практично, так как нам понадобится различать 10 различных состояний электрической цепи, что значительно усложнит конструкцию. Но и двух состояний, как показывает практика, достаточно практически для любой вычислительной задачи.

Для тех, кто не читал предыдущие посты в этой серии, я напомню, что транзистор может работать как запорный кран на водопроводной трубе – включая и выключая напряжение на базе, мы можем либо «открывать кран» (пропускать ток через транзистор), либо «запирать» его. Соответственно, если абстрагироваться от технических деталей, то, подав «единицу» на базу, мы получим «единицу» и на выходе.

Логические вентили
Сразу оговорюсь – одну и ту же схему можно построить, используя несколько способов, здесь предложен лишь один из вариантов.
Здесь и далее, условно мы считаем поданное напряжение за 1 (или ИСТИНА), отсутствие напряжение – 0 (ЛОЖЬ).
Сила транзисторов приходит с их числом. Давайте посмотрим на следующую схему:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

На данной схеме, если мы подадим на вход (In) 1, электричество потечёт от коллектора на эмиттер (сверху вниз). Так как ток всегда идёт по линии наименьшего сопротивления, на выходе будет 0. Если на входе будет 0, то транзистор предотвратит ток от коллектора на эмиттер, и на выходе (Out) мы получим 1.

Эта схема является логическим инвертором (превращает 0 в 1 или 1 в 0), представляя собой логическую операцию НЕ (NOT). В логических схемах, по стандарту ANSI 91-1984, она обозначается так:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

(есть и другие стандарты обозначений, но в подавляющем большинстве случаев, если вы будете дополнительно изучать эту тему, вы будете встречать именно такие символы).

Забегая вперёд, скажу, что для каждой операции существует так называемая «таблица истинности» (truth table), которая показывает, как данная операция изменяет входящий сигнал. Входящие сигналы обычно обозначают буквами латинского алфавита по порядку (A, B и т. д.) Для операции NOT существует всего 1 входящий сигнал А:

А = 0 → 1

А = 1 → 0


Рассмотрим пример посложнее:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Здесь, если вы уже хоть чуточку разбираетесь в том, что уже было сказано, можно увидеть, что на выходе (Out) мы получим 1 только если на входах A и B тоже будут единицы, а в любом другом случае, на выходе будет 0. Мы получили логический вентиль И (AND), который обозначается так:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Вентиль И имеет следующую таблицу истинности:

A = 0, B = 0 → 0

A = 0, B = 1 → 0

A = 1, B = 0 → 0

A = 1, B = 1 → 1

Для полноты комплекта набора базовых логических вентилей, рассмотрим ещё и вентиль ИЛИ (OR):

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Данный вентиль позволяет получить 1 на выходе, если хотя бы один из входов (или сразу оба) на вход получают 1.

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

У вентиля ИЛИ, как легко предположить имеется следующая таблица истинности:

A = 0, B = 0 → 0

A = 0, B = 1 → 1

A = 1, B = 0 → 1

A = 1, B = 1 → 1

Есть и другие вентили, например XOR, NAND, NOR, и т. д. С целью экономии места и времени, я пропущу их описание, остановлюсь подробнее только на одном из них, под названием NAND (НЕ-И). Дело в том, что при помощи вентилей этого типа, мы можем сконструировать вентиль любого другого типа. Это было математически доказано ещё в далёком 1913 году американским логиком Генри Шеффером. Любая комбинация логических вентилей может быть реализована при помощи вентилей типа НЕ-И или НЕ-ИЛИ.

Почему NAND?
На самом деле всё просто. Вентили NAND быстрее. Есть такой термин «логические трудозатраты». Это параметр, который характеризует временную задержку в логических элементах. На практике при построении интегральных схем чаще всего используются вентили типа NAND.

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Как можно уяснить уже из названия, NAND (Not AND) или НЕ-И представляет собой вентиль И с инверсией результата. То есть, он всегда на выходе имеет 1, кроме того случая, когда единица подаётся на оба входа одновременно:
A = 0, B = 0 → 1

A = 0, B = 1 → 1

A = 1, B = 0 → 1

A = 1, B = 1 → 0

На этой схеме представлены варианты изготовления вентилей НЕ (NOT), И (AND), ИЛИ (OR) и исключающего ИЛИ (XOR) только при помощи вентилей типа NAND:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Так как же компьютер считает?
Посмотрите на схему, она состоит из вентиля XOR (исключающее ИЛИ) и вентиля AND:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

В качестве разминки для ума, попробуйте сами составить таблицу истинности для этой схемы. Если у вас всё получилось, то вы должны прийти к следующей логике:
A = 0, B = 0 → S = 0, C = 0

A = 0, B = 1 → S = 1, C = 0

A = 1, B = 0 → S = 1, C = 0

A = 1, B = 1 → S = 0, C = 1


Или, если хочется поиграться самому, вот ссылка на работающую симуляцию:https://simulator.io/board/mgWFjacWov/1
(Щёлкайте по сигналам - 0 и 1, чтобы зажечь или погасить лампочку).

Ура! Мы научились складывать 1 и 1! И действительно, мы получили устройство, способное сложить значения двух бит (которые подаются на входы A и B) и получить результат на выходе S (Sum – сумма). 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1. Что же происходит, когда складывается 1 + 1 – в этом случае вывод S обнуляется, но зато единица подаётся на вывод C (Carry – перенос). Это сигнал о том, что у нас возникло переполнение, и нам необходим следующий разряд для записи числа 2 (или 10 в двоичном представлении).
Описанная схема называется «полусумматором» (half-adder).

Если мы захотим перерисовать эту схему, используя только вентили типа NAND, то получим вот это:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Очевидно, что полусумматор может работать только с одним разрядом. Теперь давайте совместим два полусумматора вместе:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Симуляция: https://simulator.io/board/2Cf3xg9qcE/1

Заметьте, слева у нас появился ещё один ввод (который обозначен Carry-in). Построим для этой схемы таблицу истинности:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Обратите внимание, как, в зависимости от ввода Carry-In меняется результат. Если на этот ввод подавать состояние вывода переполнения/переноса (C-out) с соседнего сумматора, то будет понятно, что, расположив 8 таких сумматоров в цепочку, мы можем заставить компьютер складывать числа ёмкостью до 8 бит (то есть, в пределах от 0 до 255 или от -127 до 128). Ниже представлена цепочка из 4 полных сумматоров, позволяющих складывать числа до 4 бит:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Cовременные компьютеры работают с шинами в 64 бит, а иногда и в 128 бит. Но мы можем масштабировать подобную схему, в принципе, до любой разрядности.

Со сложением определились. А как быть с вычитанием?

Да, в общем-то, ничего сложного, как вы поняли, в вычитании нет. Вот схема вычитателя, состоящая из двух идентичных половинок. Как видно, мы решаем проблему просто добавлением вентилей НЕ:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

И таблица истинности для данной схемы:

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Чтобы поупражняться самостоятельно, можете взять симуляцию схемы сумматора (https://simulator.io/board/2Cf3xg9qcE/1), и, добавив вентили НЕ (NOT) превратить его в вычитатель.

Расположив сумматоры параллельно, и добавив на один вход вентиль типа НЕ, мы получим схему, способную вычитать одно двоичное число из другого. Но, как вы уже заметили, сумматор и вычитатель, по сути, являются одной и той же схемой, сама операция зависит лишь от инверсии одного из сигналов. И действительно, мы можем построить универсальную логическую машину, позволяющую как складывать, так и вычитать числа при помощи такой схемы (для 4 бит):

Как заставить машину считать при помощи транзисторов? Полупроводник, Транзистор, Машинная логика, Логические вентили, Длиннопост

Симуляция: https://simulator.io/board/Kx7SAVz4P6/1


Последний вывод Cout на симуляции обозначает переполнение (лампочка красного цвета).

Мы добавили на входы битовых сумматоров вентили исключающего ИЛИ (XOR), которые выдают единицу только в том случае, если на его входы подаются разные сигналы. Когда M = 0, вентили выдадут значение сигналов B0-B3, когда M = 1, они инвертируют входящие сигналы. Таким образом, когда сигнал М = 1, данная схема становится вычитателем, а когда М = 0 – сумматором.

Надеюсь, этот пост дал вам первичное представление о том, как научить машину считать при помощи транзисторов. В следующем посте я расскажу о том, как производят интегральные схемы, на которых располагаются миллиарды транзисторов, и насколько малых размеров вообще возможно сделать транзистор.

Показать полностью 16
570

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы

Как я уже упомянул в предыдущем посте, именно благодаря полупроводникам, человеческая цивилизация совершила грандиозный рывок вперёд на пути прогресса. Без них немыслим быт современного человека и практически любое устройство, подключаемое к розетке электропитания, содержит электронные компоненты на основе полупроводников.



Мы живём в эпоху информации, почти половина населения нашей планеты подключена к глобальной сети, мы ежедневно обмениваемся друг с другом мегабайтами информации, и всё это было бы не возможно, если бы не было транзисторов – относительно простых устройств, без которых была бы немыслима работа ни одного микропроцессора.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Наверное, перед началом повествования стоит ещё назвать причины, по которым люди вообще задумались над изобретением транзистора. А основная причина была в том, что при использовании как телеграфа, так и радиосвязи приходящий сигнал был весьма слабым, что зачастую не позволяло нормально его принимать. Вот если бы было устройство, которое бы смогло регулировать уровень напряжения в цепи пропорционально приходящему сигналу, т. е. по факту – усиливать сигнал!



Очень часто, когда дают материал по электротехнике ученикам приводят аналоги из гидравлики, так как представить поток жидкости внутри трубы людям бывает проще, чем поток электрических зарядов по проводнику. Надеюсь, эта аналогия меня не подведёт, потому что сейчас мы для абсолютно гипотетического примера изобретём гидравлический транзистор:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Представим, что у нас есть слабый волновой сигнал (не важно, кто и откуда нам его посылает), и этот сигнал приходит к нам в виде изменений давления в ёмкости, которая обозначена на схеме Gate (затвор). Очевидно, что чем больше там давление, тем шире откроется заслонка, и тем большее количество жидкости сможет протекать от истока (Source) к стоку (Drain). Что характерно – интенсивность тока жидкости на сливе будет в точности повторять приходящий сигнал, однако он будет гораздо более сильным.



В электрических цепях до изобретения транзистора использовались лампы под названием триоды:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Устроен триод почти так же, как и ламповый диод (см. предыдущий пост), с тем лишь исключением, что между катодом и анодом натянута сетка, которая называется «управляющей» к которой подведён дополнительный контакт. Продолжая аналогию с предыдущей гифкой, можно увидеть, что сетка играет роль затвора. Поле, создаваемое управляющей сеткой, оказывает влияние на анодный ток. Под управлением находятся электроны, эмитированные катодом в виде пространственного заряда. Степень воздействия зависит от расстояния того или иного электрода до катода.



Поскольку расположение управляющей сетки получается ближе к катоду по сравнению с анодом, соответственно, и влияние её электрического поля на заряд катода будет выше, чем у анода. Во время прохождения электрического тока по триоду движение электронов осуществляется в направлении от катода к аноду. При этом, они проходят сквозь отверстия управляющей сетки. Если на неё подать в небольшом количестве отрицательный потенциал через ножку в основании лампы, то у нас появится возможность изменять число электронов, движущихся от одного электрода к другому. Действие отрицательного потенциала, подведённого к сетке, вызывает отталкивание некоторой части электронов. Другие электроны, попавшие в триод, все равно преодолевают открытое пространство между электродами и движутся в направлении анода. Так можно управлять течением тока через лампу и внешнюю цепь.



Лампы были, с одной стороны, весьма прогрессивным изобретением, однако, в то же время, они были очень хрупкими и очень громоздкими и требовали много энергии (помните, катод надо нагревать). Вот, к примеру, один из первых радиоприёмников образца 1914 года:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Мы можем использовать эту управляющую сетку не только для регулировки, но и в качестве выключателя. Если мы подадим на управляющий электрод отрицательный заряд, он начнёт отталкивать вылетающие электроны из катода и цепь будет разомкнута. В этом была заложена основа двоичного кодирования – ноль и единица. Лампы открыли нам путь для создания компьютеров. Для постройки одного из первых в мире компьютеров общего назначения ENIAC в 1945 году было использовано около 18 тысяч ламп! Компьютер весил 30 тонн и занимал целый зал, не говоря уже о той прорве электричества, которую он пожирал. Лампы регулярно перегорали и требовали замены. Тем не менее, эта машина за 30 минут справлялась с таким же объёмом расчётов траекторий артиллерийской стрельбы, на проведение которых человеку требовались сутки. Теперь же, похожая задачка решается в тех же Angry Birds, и справиться с ней может чип величиной с песчинку, и всё благодаря транзистору. В современных микропроцессорах находятся миллиарды транзисторов, каждый из которых выполняет точно такую же функцию, как и лампа.



Давайте же разберёмся, как он работает.



Прежде всего, если вы не читали предыдущий пост, настоятельно советую для начала ознакомиться с ним, потому что дальнейшее изложение я буду строить исходя из предположения, что читатель знаком с понятиями P-N перехода. Вкратце – в полупроводники с правильной кристаллической решёткой вносятся добавки (процесс называется «легирование»), обеспечивающие либо дополнительные электроны в зоне проводимости (полупроводник N-типа), либо наоборот – создающие их дефицит (дырки) – полупроводник P-типа.
Для того, чтобы создать диод, нам понадобилось 2 типа полупроводников, соединённых друг с другом. Но что будет, если мы на этом не остановимся и добавим ещё один полупроводник? Ура! Мы соорудили транзистор, а точнее – биполярный транзистор (но о том, какие они вообще бывают, поговорим позднее):

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Обратите внимание, что, в зависимости от порядка чередования слоёв полупроводников, мы можем соорудить 2 типа транзисторов – PNP и NPN. Принцип работы у того и другого типа примерно одинаковый, разные только носители заряда и способ управления, поэтому пока просто запомните эту информацию, а к разнице между ними я вернусь чуть позже.



Рассмотрим транзистор первого типа NPN. Носителем заряда в нём являются электроны, поэтому на рисунке ниже, дырки не показаны (но помните, что они там есть!). Принципиально, он напоминает «бутерброд», сооружённый из двух диодов, и обладает, соответственно, двумя переходами NP и PN, поэтому, в каком бы направлении мы не пропускали ток, один из двух переходов всегда будет де-факто диодом с обратным подключением, и ток через цепь такое устройство не пропустит.



Однако, если подвести к внутреннему слою дополнительный положительный заряд, например, подключив дополнительный источник питания, как на рисунке с напряжением, достаточным для преодоления инверсного слоя, мы получим такую картину:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Что здесь происходит? Посмотрите на область, обведённую красным пунктиром. По сути, мы видим иллюстрацию из предыдущей части – диод с прямым подключением. Отрицательно заряженный терминал (слева) выпустит большое количество электронов, которые будут толкать другие электроны дальше. Перескакивая от дырки к дырке, часть электронов устремится к месту подключения положительного полюса батареи (кстати, этот вывод транзистора называется База), и дальше. Этот путь показан тонкой пунктирной стрелкой синего цвета.



Отрицательно-заряженный терминал вводит в N-область всё больше и больше электронов (тот терминал, из которого производится выпуск носителей заряда (в нашем случае – электронов) называется Эмиттер, от англ. to emit – выпускать, испускать), и большая их часть продолжает свой путь дальше. Они притягиваются положительным зарядом нижней батареи – к положительно-заряженному терминалу, который в нашем случае называется Коллектор (от англ. to collect – собирать). Их путь показан жирной пунктирной стрелкой синего цвета.


Во избежание путаницы здесь и далее напомню, что под током мы подразумеваем не движение по цепи отрицательных электронов, а движение положительных зарядов. Почему?


Спасибо за это надо сказать Бенджамину Франклину (да, да, тому самому). Именно он ввёл общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «−». Про электрон тогда не знали, фактически, было абсолютно всё равно, какой именно тип зарядов называть положительным, а какой – отрицательным. Но с него повелось, что ток в цепи течёт от положительного полюса источника питания к отрицательному, хотя электроны движутся в противоположном направлении. Поэтому, хотя носителем заряда в NPN транзисторе являются электроны, считается, что электрический ток идёт в противоположном направлении.
Поскольку количество носителей заряда (электронов), проходящих от эмиттера к коллектору намного больше, чем на пути от эмиттера к базе, мы, имея слабый ток на базе, получили его усиление на коллекторе.



Разумеется, если мы будем динамически менять напряжение на базе, ток на коллекторе будет изменяться синхронно, на чём и основан базовый принцип усиления сигнала. Как видите, аналогия с шлюзом, малое изменения давления в котором позволяло регулировать давление основного потока в большем диапазоне, очень удачна. Если сравнивать с триодной лампой, то легко увидеть аналогию – здесь эмиттер выполняет роль катода, коллектор – анода, а база играет роль управляющей решётки.



Самое время понять, в чём разница между транзисторами PNP и NPN типа.



В транзисторе NPN положительное напряжение подаётся на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подаётся на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течёт от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.



Ниже три простых правила, которые нужно запомнить про разные типы биполярных транзисторов:



1) PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN – положительной.
2) PNP пропускают ток от эмиттера к коллектору, NPN – наоборот.
3) В NPN транзисторах основные носители заряда – электроны, а в PNP – дырки, которые менее мобильны (мобильность - скорость переноса мощности), соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

Полевые (FET) транзисторы
Другим типом транзисторов, являются полевые транзисторы (FET – Field Effect Transistors). По сути своей, они выполняют ту же функцию, что и биполярные, однако их принцип действия несколько иной. Есть множество разновидностей современных полевых транзисторов, и на то, чтобы описывать их все не хватит ни времени, ни места в посте, поэтому я остановлюсь на том типе, который используются в современных микропроцессорах. По-русски они называются полевые МОП-транзисторы (Металл-Оксид-Полупроводник), но более часто встречается английская аббревиатура MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).Как следует из названия, управление током в полевом транзисторе происходит не при помощи регулирующего напряжения, а при помощи электрического поля.И так, возьмём подложку из слабо-легированного полупроводника P-типа и внедрим на неё две полоски высоколегированного полупроводника N-типа (напомню – в полупроводника N-типа примеси создают избыток свободных электронов, а в P-типе – их дефицит):

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Тут стоит сказать, что даже в P-области, где преобладают дырки, нет-нет, да и встречаются свободные электроны, способные проводить ток, которые мы будем называть неосновными носителями заряда (англ. minority carriers). Чуть позже я объясню, почему это важно.
Как мы уже знаем, на границе P-N переходов свободные электроны из N-областей рекомбинируют с дырками в P области и формируют своебразный барьер, где нет ни дырок, ни свободных электронов, так называемый инверсный слой (англ. depletion region).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Если сейчас подать на наш недотранзистор напряжение, то электроны из N областей станут дрейфовать в сторону положительно-заряженного терминала, а дырки – наоборот, сдвинутся подальше от него, инверсный слой ещё больше увеличится, и это означает, что ток через такое устройство проходить не будет.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Так как же нам заставить ток проходить через наше устройство? Для начала, давайте разберёмся (или вспомним), как работает конденсатор. В простейшем виде, конденсатор – это две проводящие пластины, с проложенным между ними диэлектриком (изолятором).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Если подключить его к источнику постоянного тока, то положительный полюс батареи начнёт притягивать свободные электроны, находящиеся в подсоединённом электроде, и эти электроны в конечном счёте начнут скапливаться на электроде по ту сторону изолятора. Накопленные таким образом заряды создадут между электродами электрическое поле.



Давайте теперь возьмём одну пластину этого конденсатора а, вместо второй воспользуемся подложкой нашего недотранзистора. Электроны с металлической платы начнут мигрировать в сторону полупроводниковой подложки, а сама пластина начнёт приобретать положительный заряд, вследствие чего между верхним и нижним контактом сформируется электрическое поле (так же, как это происходит в конденсаторе). Помните, я просил запомнить, что даже в P-области присутствуют свободные электроны (неосновные носители заряда) – так вот, здесь они нам и пригодились. Эти электроны будут притягиваться к верхнему положительно заряженному электроду. Область непосредственно под положительно-заряженном электродом будет, как следствие переполнена электронами:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Непосредственно под областью насыщения электронами сформируется новый инверсный слой, состоящий из рекомбинированных электронов и дырок. Эта конфигурация «ломает» инверсный слой между P-областями и позволяет, наконец, току проходить через эту область.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 2 - Транзисторы Полупроводник, Транзистор, Микроэлектроника, Гифка, Длиннопост

Ура! Мы собрали свой MOSFET транзистор. Левый электрод на рисунке называется исток (англ. source), электрод конденсатора в центре – затвор (англ. gate), а правый, соответственно, сток (англ. drain). Названия отражают роль данных контактов в движении электронов через транзистор. Располагая уже имеющимися в нашем распоряжении знаниями, легко понять, что, регулируя ток на цепи от затвора к базе, мы так же будем регулировать прохождение электронов от истока к стоку.



Казалось бы, зачем нам нужны такие сложности, если у нас уже были биполярные транзисторы?
Наверное, самым важным преимуществом полевых транзисторов является то, что они требуют гораздо меньшей энергии для поддержания режима проводимости, и, соответственно, меньше греются. А когда у вас на интегральной схеме расположено компактно несколько миллиардов таких штук, проблемы отвода тепла и снижения энергопотребления становятся весьма важны.

Из этого факта следует ещё одно дополнительное преимущество – полевые транзисторы гораздо больше помехоустойчивы, поскольку ток через затвор транзистора практически не проходит, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.

Ещё полевые транзисторы способны обеспечивать гораздо большее усиление по току и способны переключаться между состояниями проводимости и непроводимости гораздо быстрее, соответственно, они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
Но, помимо преимуществ, есть у полевых транзисторов и недостатки. В частности, структура полевого транзистора начнёт разрушаться уже при 150°C, в то время как биполярные выдерживают до 200°C. Кроме того, низкое энергопотребление полевых транзисторов на высоких частотах (примерно начиная с 1,5 ГГц) потребление энергии у них начинает возрастать по экспоненте. Это, кстати, является одной из основных причин замедления роста скорости микропроцессоров, а производители перешли к стратегии многоядерных процессоров.
***

Самым сложным при подготовке этого поста было решить, что важно, о чём стоит написать, а что можно пропустить. Тема настолько обширна, что заранее прошу меня простить за то, что кое-что я либо осознанно, либо случайно оставил за скобками.
Зато теперь я понимаю, что не закончил, и придётся «пилить» продолжение. Как минимум, хочется рассказать о современных технологиях изготовления микропроцессоров и о том, как законы квантовой механики становятся на пути производителей, а так же о том, как же, всё-таки, люди научили компьютеры считать при помощи транзисторов.
Но на сегодня, спасибо за внимание, у меня пока всё.

Показать полностью 13
1343

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды

Если попытаться создать рейтинг изобретений 20 века, которые оказали наибольшее влияние на нашу жизнь, полупроводники и полупроводниковые приборы окажутся, если не на первом месте, то в десятке – непременно.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

В основе технологий полупроводниковой электроники, как очевидно из названия, лежат полупроводники. В недавней беседе с одним своим знакомым, я был несколько удивлён, когда узнал, что, хотя он и был осведомлён, в принципе, что делают и для чего нужны такие устройства, как диод и транзистор, он понятия не имел, как они устроены, и почему они так работают. Мысленно я поблагодарил его за то, что нашёл тему для своего следующего поста.
И так, давайте рассмотрим первый столп современной электроники – диод.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Для начала упомяну тот факт, который знают, если не всё, то многие – основное свойство диода – пропускать электрический ток только в одном направлении. Но чтобы понять, почему так происходит, сперва давайте более пристально посмотрим на химический элемент с номером 14 – кремний. Кремний весьма распространён в природе, он содержится, в частности, в обычном песке или в кварце. Если посмотреть на то, где «прописан» кремний в периодической таблице, то, вспомнив школьный курс химии, можно определить, что у таких элементов как углерод, кремний или германий есть достаточно редкое свойство – у всех них по 4 электрона на внешней орбитали (подробнее об орбиталях и внутреннем устройстве атома можно почитать в посте "Правила общежития электронов внутри атома").

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Это свойство позволяет им формировать идеальные ковалентные связи с соседними атомами, создавая, тем самым, правильную кристаллическую решётку. В случае с углеродом, в зависимости от конфигурации атомов, мы можем получить либо графит, либо алмаз. В случае же с кремнием, его кристаллическая форма выглядит как серебристое вещество с металлическим блеском:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Лирическое отступление: многие, наверное, слышали или встречали название Silicon Valley, которую безмозглые переводчики иногда переводят как «Силиконовая долина». Так вот, этимологически-правильный перевод: «Кремниевая долина». Силиконы – это общее название химических соединений кремния, ещё называемые полиорганосилоксаны. В частности, из них делают смазки, герметики, ну и самое замечательное – имплантаты для увеличения груди. Не уподобляйтесь пожалуйста безграмотным, не путайте силиконы и кремний!

Хотя кристаллы кремния и выглядят металлическими, металлом кремний не являются. Как я уже сказал, все четыре его электрона «заняты» в ковалентных связях с соседями, а основным требованием для тог, чтобы вещество проводило электрический ток, является наличие свободных электронов на внешней оболочке (как у металлов). Чистый кремний ведёт себя практически как изолятор.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Так что же сделать, чтобы кремний стал проводить ток? Для этого используется процесс, который называется «легирование» (doping). По факту, легирование – это внесение «загрязнений» (посторонних атомов) в кристаллическую решётку.
Ведь, что, по сути, надо сделать? Либо добавить свободных электронов, чтобы они смогли переносить отрицательный заряд, и тогда мы получим полупроводник N-типа (от Negative – отрицательный), либо уберём часть электронов так, чтобы получился полупроводник P-типа (от Positive – положительный).
Для легирования кремния с целью получить полупроводник N-типа используют небольшое добавление фосфора или мышьяка. Эти атомы имеют по 5 электронов на внешней оболочке, и, когда такие атомы внедряются в кристалл кремния, один электрон не формирует связи и остаётся свободным.
Для полупроводников P-типа используют, наоборот, атомы бора или галлия. У них по три внешних электрона, и, когда они внедряются в кристаллическую решётку, остаются «дырки», где у соседнего атома кремния остаётся электрон, который не может сформировать ковалентную связь. Отсутствие электрона создаёт эффект положительного заряда. Этот электрон может перескакивать от дырки к дырке, таким образом, тоже проводя электрический ток.
Хотя легирование и позволяет нашему кристаллу проводить электрический ток, но хорошим проводником его не делает, отсюда и название – полупроводник.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Ад перфекциониста – людям с ОКР теперь требуется соблюдать осторожность при обращении с полупроводниковыми приборами!

Сами по себе, ни полупроводники N-типа, ни полупроводники P-типа не замечены в чём-либо замечательном. «Волшебство» начинается, когда мы соединяем их вместе. На месте соединения свободные электроны полупроводника N-типа начинают занимать места «дырок» в полупроводнике P-типа, и приграничная область в полупроводнике P-типа становится от этого слегка отрицательно заряженной, а в N-полупроводнике эта область станет слегка положительно заряженной. На границе образуется так называемый «Инверсный слой» (англ. depletion region), в котором отсутствуют как свободные электроны, так и «дырки»:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Образовавшееся в этом слое электрическое поле создаст потенциальный барьер, который воспрепятствует какой-либо дальнейшей естественной миграции электронов в ту или другую сторону. Величина потенциала колеблется от 0,3 В при 25°C для германиевых P-N соединений, и примерно 0,7 В (при 25°C) для кремниевых.
Давайте посмотрим, что будет происходить, когда мы пропустим электрический ток по нашему P-N соединению.
Если подключить положительный полюс батареи к N-области, а отрицательный – к P области, то электроны и «дырки» будут притягиваться к местам подключения электродов, и толщина инверсного слоя увеличится, что прохождение тока через эту пару полупроводников будет невозможным. Подобное подключение называют подключением с Обратным (запорным) смещением (англ. Reverse bias).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Если же мы теперь перевернём батарею и подключим положительный полюс к P-области, а отрицательный – к N области, то электроны в N-области начнут отталкиваться от отрицательного заряда батареи устремятся в сторону положительного полюса, перескакивая из дырки в дырку, и, если поданное напряжение будет превышать потенциальный барьер (для кремниевого полупроводника он составляет ≈0,7 Вольт), то по цепи пойдёт электрический ток.Такой тип подключения называют подключением с «прямым смещение» (англ. forward bias).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

По описанному принципу работает простейшее полупроводниковое устройство под названием диод. Этимология слова происходит от двух греческих корней ди- (от δί), что означает «два» или «двойной» и –од (от ὁδός), что означает «путь», «тропа».
В электрических схемах, диоды обозначаются следующим символом, сами же диоды промаркированы полоской со стороны катода:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Диод в электронике играет роль своего рода клапана, который позволяет проходить току только в одну сторону. Но не стоит обольщаться. Диод, как и любое другое устройство можно испортить. Если подключить по схеме обратного смещения слишком большое напряжение, то диод выйдет из строя и, таки, пропустит через себя ток. К счастью, подобное напряжение в случае нормальной работы электронной схемы возникнуть не должно. Для полупроводников с малой долей примесей величина напряжения пробоя больше, чем для полупроводников с высокой концентрацией легирующих элементов:

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Свойства диодов проводить ток только в одном направлении нашли самое широкое применение. Наверное, наиболее востребованной и известной стала роль диодов в так называемых «выпрямителях» – устройствах, позволяющих преобразовать переменный ток в постоянный. Кроме этого, диоды применяются в радиоприёмных устройствах (см. диодные детекторы), диоды защищают электронные устройства от неправильной полярности включения, защищают от перегрузок. Диодные переключатели применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Диоды используются в барьерах искрозащиты, и ещё в огромном количестве устройств, названия которых могут ничего вам и не сказать, однако, без них, почти ни один ваш электронный гаджет не смог бы работать.
Есть, однако, одна разновидность диодов, на которой стоит остановиться поподробнее, так как они настолько тесно интегрированы в нашу повседневную жизнь, что современная цивилизация без них попросту немыслима.
Речь идёт о светодиодах (англ. Light Emitting Diode – LED).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

По сути, эти устройства являются теми же самыми диодами, то есть в них присутствует P-N переход, а свечение вызвано интересным «побочным» эффектом, который наблюдается при встрече свободного электрона и «дырки».
В одном из моих предыдущих постов (Как выглядит атом) я описал подробно механизм испускания фотонов электронами, так что останавливаться подробно не буду, скажу лишь, что электроны могут испускать фотоны света определённой частоты при переходе с более высокого уровня на более низкий. То же происходит и здесь – электрон, нормально имеющие большую энергию, чем позволяет место в «дырке», отдаёт излишек в виде фотона определённой частоты. Этот процесс происходит в любом диоде и называется «рекомбинация». Однако, видеть эти фотоны мы можем только, если диод состоит из определённых материалов. Например, разница в энергетических уровнях электронов и «дырок» в стандартном кремниевом диоде настолько мала, что частота испускаемого фотона не попадает в видимый человеческому глазу спектр излучения – по большей части, «светиться» подобный диод будет в инфракрасном диапазоне.
Собственно, это не всегда плохо. Например, инфракрасные светодиоды широко используются в пультах дистанционного управления к разнообразной бытовой технике.
Если мы хотим получить от диода видимый свет, нам нужна большая разница между энергией электрона и энергией «дырки». Эта разница определяет частоту испускания фотонов, и, соответственно, цвет, с которым будет светиться светодиод. Не все полупроводниковые материалы эффективны для данных целей. Наиболее распространёнными комбинациями полупроводников для данной цели являются арсенид галлия (GaAs), фосфит индия (InP), селенид цинка ZnSe или теллурид кадмия (CdTe).

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост


Как жили до полупроводников?

Наверное, стоит ещё сказать пару слов о том, как мы жили до эры полупроводников, и какими раньше были диоды. А диоды раньше были тёплыми и ламповыми.

Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды Полупроводник, Диоды, Длиннопост

Работа электронных ламп основана на использовании термоэлектронной эмиссии, которая состоит в том, что накалённый до высокой температуры проводник выделяет в окружающее пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвободные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивается. При высокой температуре они движутся так быстро, что некоторые из них вылетают за пределы проводника.
Катод служит для эмиссии электронов. Количество электронов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током эмиссии или просто эмиссией
При малых температурах эмиссии практически нет, а при увеличении температуры она растёт все быстрее и быстрее, достигая значительной величины при температурах порядка сотен градусов и выше. Чрезмерно повышать температуру нельзя, так как в конце концов нить перекалится и расплавится, что обычно не совсем правильно называют перегоранием.
Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия. При увеличении поверхности катода эмиссия также становится больше. На величину эмиссии большое влияние оказывает материал катода.
Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, выделяемые катодом, и создавать в лампе поток свободных электронов.
Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть заряжен положительно. Притяжение электронов к аноду объясняется тем, что между анодом и катодом образуется электрическое поле. Электроны, вылетевшие из катода, под действием этого поля движутся к аноду.
Баллон служит для того, чтобы внутри лампы можно было создать вакуум, т.е. пространство, из которого удалён почти весь воздух. Для свободного движения электронов к аноду вакуум должен быть очень высоким. Наличие воздуха в лампе недопустимо и потому, что накалённый катод сгорит, т.е. вступит в химическое соединение с кислородом.
Из того, что мы уже знаем, мы можем предсказать, что ток не будет проходить через лампу, если изменится его направление, так как анод в этом случае не будет заряжен положительно, и не сможет притягивать электроны.
На этом первая часть поста заканчивается, а следующая часть будет посвящена не менее великому полупроводниковому устройству – его величеству транзистору.

Показать полностью 13
690

Что именно изображено на фотке чёрной дыры?

10 апреля 2019 года учёные порадовали нас впервые полученным изображением чёрной дыры в центе галактики М87 при помощи телескопа горизонта событий. Думаю, все уже видели, но вот эта боянистая фотка, на всякий случай:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Я встречал много разных интерпретаций данного изображения, зачастую, упрощённых. В этом посте я хочу развеять несколько заблуждений относительно этого изображения, которые я встречал, а так же проанализировать, что в действительности мы увидели.


Я не буду долго вдаваться в особенности устройства чёрных дыр, тем более, что материалов по ним много, да и я уже касался теории в этом посте. Коснусь лишь самого главного.


Диск аккреции (Аккреционный диск) — диск, который формируется из материи вблизи космического объекта, обладающего большим гравитационным потенциалом. Ну посудите сами — практически нет двух объектов в космосе, которые имели бы абсолютно параллельные векторы скоростей, соответственно, "падать" строго по направлению к чёрной дыре (радиально) невозможно... вернее, очень маловероятно, что получится. Обычно траектория падения происходит под некоторым углом, по искривлённой спиралевидной траектории. Частички материи по мере приближения к чёрной дыре всё больше ускоряются, и всё чаще соударяются с соседями, отчего ещё больше разогреваются, отчего начинают светиться (и не только в видимом диапазоне). Подробнее о природе данного свечения можно почитать в моём посте "Как выглядит атом".


Ну, собственно, словами "вот аккреционный диск" учёные и сфотографировали, обычно заканчивают повествование. Но мы только начинаем.


Горизонт событий — сфера вокруг центра чёрной дыры радиусом, называемом радиусом Шварцшильда (RS), внутри которой не существует мировых линий, направленных вовне, то есть всё, что находится внутри этого радиуса, никак не может повлиять на то, что находится вовне (электромагнитные волны и информация никогда не смогут покинуть эту сферу).


Но, как и вокруг любого небесного тела, вокруг чёрной дыры существуют стабильные орбиты, то есть, если у какого-то тела скорость достаточна, чтобы обращаться по данной орбите, данное тело не упадёт на чёрную дыру.


Разумеется, самой низкой орбитой, на которой можно существовать, не падая в чёрную дыру, является орбита, на которой орбитальная скорость равна скорости света.

Очень часто приходилось слышать, что вот эта тёмная область в центре — это и есть "тень" горизонта событий, хотя это не совсем так. Эта область несколько больше горизонта событий. Дело в том, что ядра атомов, образующих аккреционный диск, имеют массу, и не могут развить скорость света, соответственно, для них существует предельная орбитальная скорость. Иными словами, существует наиболее низкая устойчивая круговая орбита (англ. innermost stable circular orbit или ICSO).


Если бы чёрная дыра не вращалась, то такая орбита составляла бы 3 радиуса Шварцшильда (3RS), однако, почти все чёрные дыры вращаются, и высота ISCO обычно ниже 3Rs, и зависит от скорости вращения и направления орбиты.


Любое массивное тело, опустившееся ниже данной орбиты, неизбежно упадёт в чёрную дыру.


Соответственно, тёмная область, которую мы видим на фото - это не тень чёрной дыры, а область, ограниченная ISCO.


Фотоны, тем не менее, не имеют массы, поэтому вокруг чёрной дыры ещё ближе к горизонту событий, чем ISCO, существует ещё и так называемая "фотонная сфера" (ссылка на англ.). Для невращающейся чёрной дыры, её радиус составляет всего 1,5 RS. Фотоны света на поверхности данной сферы будут вынуждены вечно вращаться по круговой орбите вокруг чёрной дыры, и, если бы было возможно провести там наблюдение, то, глядя вперёд, можно было бы увидеть свой затылок, так как фотон света, отразившись от нашего затылка, описал бы полный круг вокруг чёрной дыры и вернулся бы в наш глаз. По этой причине, мы практически не видим свет внутри ISCO.


Тем не мене, существуют траектории, позволяющие фотону посетить зону ниже ISCO, но, тем не менее, ускользнуть от притяжения чёрной дыры. Такая траектория показана на рисунке:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

На ней видно, что фотон может подлететь к чёрной дыре, сделать виток вокруг неё, и улететь прочь. Именно этим объясняется тот феномен, что, с какой бы стороны мы не посмотрели на чёрную дыру, мы всегда увидим аккреционный диск, будто бы мы смотрим на него "сверху".


Для сравнения, возьмём планету Сатурн, с его хорошо видимыми кольцами. В зависимости от взаимной ориентации наблюдателя и колец, мы можем видеть их под разными углами:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Так что же, учёным просто повезло пронаблюдать акреционный диск, расположенный под "нужным" углом? Разумеется, нет! Дело в том, что под воздействием огромной гравитации чёрной дыры, пространство-время искривляется таким образом, что по "кромке" чёрного контура мы видим не только "вид спереди", но и то, что происходит позади чёрной дыры. Более наглядно это можно представить по этой картинке. Здесь мы видим аккреционный диск, расположенный практически "ребром" к наблюдателю. Тем не менее, область диска, которая должна скрываться "позади" чёрной дыры, так же видна наблюдателю из-за того, что фотоны света описывают полный круг вокруг наблюдаемой чёрной дыры.

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Для большей наглядности, вот ещё она картинка:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

В теории, если бы мы обладали очень большими и мощными телескопами, мы могли бы смотреть на чёрные дыры и заглядывать, таким образом, в собственное прошлое.

Показать полностью 4
1336

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи

Сегодня в честь 1 апреля я хочу подробнее рассмотреть элегантное оружие из более цивилизованной эпохи – световой меч Джедая.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Мы все видели его в действии, однако, если смотреть внимательно, то можно заметить некоторые неточности, которые позволили себе режиссёры, описывая это замечательное оружие.


Начнём с мощности. Наиболее наглядно мощность данного оружия показана в I эпизоде, когда Квай-Гон Джин плавит мечом дверь:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

В этой сцене примерно за 1 секунду меч расплавляет объём металла, по крайней мере, соответствующего объёму самого меча. Предположим, меч имеет длину 1 м и диаметр 3 см, а плотность, температура плавления и удельная теплоёмкость двери – как у стали (плотностью 7800 кг/куб. м). Иными словами, масса стали 5,513 кг с удельной теплоёмкостью 462 Дж/кг*К, была нагрета на 1507 градусов (1800 К – температура плавления, 293 К – комнатная температура).

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Таким образом, имеем мощность светового меча КАК МИНИМУМ в 3,8 МВт!


Если брать выделение электрических мощностей по 15 КВт на домохозяйство, то при помощи одного меча Квай-Гон Джина можно было бы снабжать электроэнергией небольшой посёлок.


Как известно, световой меч в руках мастера-Джедая может останавливать и даже отражать назад выстрелы из бластеров, однако, давайте посмотрим, сможет ли такой меч остановить обычную свинцовую пулю? Чтобы понять это, давайте посмотрим, хватит ли мощности в 3,8 МВт чтобы полностью расплавить и испарить 9 грамм свинца, летящих со скоростью 400 м/с?


Такая пуля преодолевает расстояние, равное диаметру меча (3 см) за 0,000075 секунды. За это время меч передаст пуле энергию равную 0,000075 * 3800000 = 285 Дж. Теплоёмкость свинца 130 Дж/кг * К. Для массы в 9 г нагрев составит 333 градуса. Этого едва достаточно, чтобы её расплавить (температура плавления свинца 327 градусов), однако, хорошего по-прежнему мало – вместо твёрдой пули, в мастера-Джедая влетит капля расплавленного свинца со скоростью 400 м/с. По останавливающему действию, эффект будет, пусть не смертельным, но достаточным для нанесения глубоких ожогов. После попадания такой капли, думается, вторую пулю он отбить уже не сможет. Впрочем, начинающему охотнику на Джедаев рекомендуется иметь пули со стальным или урановым сердечником. Как показали наши исследования, против таких пуль световой меч абсолютно неэффективен.


Теперь о безопасности.


Даже если мы отбросим тот факт, что согласно закону Стефана – Больцмана, световой меч должен излучать столько тепла, что при такой мощности он должен был бы немедленно воспламенить всё, что его окружает, списав это на какое-либо универсальное отражающее поле, сама плотность энергии, заключённая в рукояти светового меча, не может не поражать воображение.


Мы часто видели, как мечи ломаются, разрубаются пополам, как их роняют или разрушают иными способами:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Науке неизвестно, как в подобном объёме можно запасти такое количество энергии, и при этом, чтобы вся запасённая не высвобождалась бы при разрушении контейнера. Разрушение меча в любой момент времени должно было бы сопровождаться мощнейшим взрывом, сопоставимым с ядерным по мощности (помните, в рабочем режиме эта штука выдаёт минимум 3,8 МДж энергии в секунду). Представьте, насколько более эпичными были бы сцены боёв джедаев, если бы в при разрубании меча одного из противников, происходил бы ядерный взрыв!


Хочу коснуться также и вопроса элегантности.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Думаю, Оби-Ван покривил душой, когда говорил об этом оружии, как об элегантном. В действительности, если сравнить с обычным мечом, который рубит благодаря приложению большого давления на малую площадь, тем самым, раздвигая разрубаемый материал, световой меч попросту нагревает. Строго говоря, когда мы видим сцену, в которой кого-то протыкают световым мечом, мы должны понимать, что материал попросту испаряется (в физике, процесс перехода из твёрдого состояние в газообразное, минуя жидкую фазу, называется сублимация).


Все мы помним, что при переходе в газообразную фазу объём вещества увеличивается. Вода, например, при переходе из жидкой фазы в пар увеличивается в объёме почти в 1500 раз. Когда испарение происходит относительно медленно, с этим ещё можно справиться, однако, если всё это происходит мгновенно, это больше похоже на взрыв бомбы. Вот посмотрите, что происходит, когда одна особо-одарённая личность бросает бутылку с водой в расплавленную сталь:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

То же самое произойдёт, если вы разрубите такую же бутылку световым мечом. То же самое, или что-то очень похожее произойдёт и с телом человека, так как оно на 60 – 70% состоит из воды.


Давайте представим, что острие светового меча приближается к жертве. Уже на некотором расстоянии от него, одежда нашего врага вспыхивает из-за тепла, которое излучает наш меч. (Сам Джедай, видимо, контролирует тепло, излучаемое мечом при помощи Силы, поэтому остаётся невредим), кожа врага так же обугливается. Само тело нашей жертвы начинает светиться оранжевым цветом из-за нагрева, но это ненадолго. В момент, когда меч протыкает тело врага, его лезвие оказывается окружено плотью, и испаряет около килограмма жидкости, находящейся в этом теле за 1 секунду. Образовавшемуся пару некуда деться, кроме как выходить из открытой раны со скоростью звука, причём всё это происходит примерно за несколько сотых секунды. Мы наблюдаем паровой взрыв, очень похожий на то, что мы видели на гифке чуть раньше. Этот взрыв разрывает тело нашей жертвы на части и обдаёт нас взрывной волной из перегретого пара.


В этом отношении много вопросов вызывает смерть Хана Соло, который пробыл в контакте со световым мечом дольше всего – порядка 10 секунд. Этого времени было достаточно, чтобы испарить половину массы его тела.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Словом, элегантным данное оружие назвать никак нельзя, а мы делаем вывод, что Оби Ван несколько приукрашивал действительность.


(подготовлено по материалам youtube-канала Because science)

Оригинальное видео.

Показать полностью 6

«Мы разрабатываем системы для дронов, которые автономно летают на высоте до 12 метров». Студент-технарь тестирует UltraWide-монитор

Месяц учебы на Пикабу завершился (и уже начался Месяц аудио и музыки). Вы читали про сайты для самообразования и, возможно, даже попытались самостоятельно сделать стикерпак для телеграма. Но какой месяц учебы без главных страдальцев героев. На этот раз UltraWide-монитор 38WK95C испытывал в работе студент Московского Политеха и сотрудник Сколковского института науки и технологий.


Меня зовут Егор и, как вы уже поняли, я студент. Специализация моей кафедры — анализ больших и открытых данных. Жизнь современного студента технического вуза — это не только учеба с утра до вечера (и тусовки с вечера до утра). В моем случае много времени отнимают научная деятельность и работа. Я программист в стартапе аспирантов лаборатории космической интеллектуальной робототехники Сколковского института науки и технологий. Попробую объяснить, как до этого дошел и чем занимаюсь.

«Мы разрабатываем системы для дронов, которые автономно летают на высоте до 12 метров». Студент-технарь тестирует UltraWide-монитор Длиннопост

Робототехникой я увлекся еще в школе. С первого занятия затянуло, так роботы стали главным хобби. Регулярно участвовал в разных российских и международных соревнованиях, получал награды, копил опыт.


Сначала меня позвали в команду Сколтеха по робототехнике, а после соревнования Eurobot — взяли работать в лабораторию. Наш стартап направлен на автоматизацию инвентаризации складов. Мы производим целые системы — от гаек и кусков железа до реальных роботов. Потом все это внедряют на склады, чтобы обеспечить безопасность. Конкретно я в этом проекте отвечаю за разработку систем навигации и локализации для мобильных роботов и дронов. Недавно, например, написал систему локализации дрона с помощью нейронной сети. Теперь дрон по картинке с камеры понимает, где он находится: сам определяет расположение объектов и корректирует свою позицию.

«Мы разрабатываем системы для дронов, которые автономно летают на высоте до 12 метров». Студент-технарь тестирует UltraWide-монитор Длиннопост

Иногда я провожу за компьютером по 6-8 часов в день. Если завал на учебе, то и вовсе по 12 часов. Так что предложение ребят из Пикабу протестировать ультраширокий монитор от LG было кстати.


Монитор доставили прямо на работу, в лабораторию робототехники. Распаковал коробку, а там: гигантский изогнутый экран, куча разных кабелей и пачка инструкций. Честно сказать, с техникой я не то чтобы дружу. С алгоритмами, большими данными и дронами у меня точно лучше. Поэтому слегка напрягся при мысли, что сейчас мне предстоит самому устанавливать эту громадину.


Установка монитора заняла от силы минут 15 – даже у человека с такими кривыми руками, как у меня. Поначалу кажется, что тонкая ножка не выдержит громадину, но нет – стоит надежно, а место на столе будто бы и не занимает. Подставка регулируется: можно изменить высоту и угол наклона. У меня чувствительные глаза, чуть что — сразу режет и слезятся. Поэтому тут выставляю четкое на уровне глаз. Следующий шаг – настройка изображения. С помощью кнопки-джойстика открыл меню для доступа ко всем цветовым настройкам. Тут раздолье: режим для просмотра кино, работы с фотографией, приглушенного света в комнате. Я выбрал обычный пользовательский.

«Мы разрабатываем системы для дронов, которые автономно летают на высоте до 12 метров». Студент-технарь тестирует UltraWide-монитор Длиннопост
LG 38WK95C
Диагональ — 37,5’’;
Разрешение — 3840х1600;
Соотношение сторон — 21:9;
Макс. частота обновления кадров — 61 Гц;
Время отклика — 5 мс;
Подсветка, HDR 10, изогнутый экран, антибликовое покрытие.

Учусь я на кафедре анализа больших и открытых данных, а это значит, что нужно постоянно читать (и анализировать!) графики и таблицы исходных данных. Когда привезли монитор, я дописывал отчет по летней практике. Как это выглядит? Пара десятков открыток вкладок в браузере и несколько программ: Jupyter Notebook, Gazebo simulator, Rviz, Pycharm, GIMP. На стандартном экране между ними пришлось бы все время переключаться (это раздражает). Тут я оценил одно из преимуществ 21:9 мне удалось разместить почти все программы на одном экране. Копировал текст, графики, параллельно подглядывал на другие отчеты или требования к ним. На экране даже нашлось местечко для YouTube – ну чтобы писать отчет было веселее.

«Мы разрабатываем системы для дронов, которые автономно летают на высоте до 12 метров». Студент-технарь тестирует UltraWide-монитор Длиннопост
LG 38WK95C с разрешением QHD+(3840x1600) дает в три раза больше рабочего пространства, чем в привычном разрешении 1920х1080. Специально для просмотра и обработки информации.

Это что касается учебы. Разработка роботизированных систем тоже занимает прилично времени и места на мониторе: открыто много скриптов, визуализатор данных с робота, терминал с логами и другие окна. Начинается все с анализа на бумаге. Затем пишутся первые простейшие скрипты, которые отлаживаются в симуляции (сам сделал). Дальше вводим фичи, вновь проверяем в симуляции. Да, симуляция нужна почти на каждом шагу, все-таки мы работаем с дроном, который автономно летает на высоте до 12 метров, — цена ошибки велика.


Так рождается система — автономная мобильная платформа для зарядки дрона и его перевозки на большие расстояния и сам дрон, который автоматически сканирует места, где человеку опасно работать.

«Мы разрабатываем системы для дронов, которые автономно летают на высоте до 12 метров». Студент-технарь тестирует UltraWide-монитор Длиннопост

В лаборатории все коллеги работают за стационарными компьютерами, но моей обновкой все равно интересовались: откуда взял? А изогнутый экран не мешает? Может нам тоже такой приобрести? Не могу однозначно сказать, работал ли я быстрее. Но если вам необходимо открывать несколько окон с таблицами и графиками, широкоформатный монитор явно не помешает. Как минимум это удобно.


Читайте также:

4 инструкции, которые научат вас создавать гифки, ремиксы и стикеры в телеграме

9 нескучных сайтов для самообразования

Посты пикабушников про учебу

Показать полностью 4
Отличная работа, все прочитано!