ИндустрияПочему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро

↑ Так выглядит литиево-ионный аккумулятор для Tesla

Литиево-ионные аккумуляторы появились в потребительской электронике в начале 1990-х годов. С тех пор их постоянно совершенствуют, и до недавнего времени они поспевали за развитием портативных устройств. Но за последние несколько лет мобильные технологии совершили такой рывок, а требования к технике настолько выросли, что многим производителям карманной электроники пришлось поступиться принципами и начать выпускать продукты, работающие от одной зарядки значительно меньше, чем раньше. Простейший пример — мобильный телефон, который раньше заряжали раз в несколько дней, а теперь — каждый день, а особо активные пользователи — дважды в день. Увеличивают время работы в основном оптимизациями — как на программном, так и на аппаратном уровне.

↑ кварцевый песок можно найти повсюду

Анод из кремния теоретически может удерживать в 10 раз больше ионов, чем анод из графита, на практике — в 3 раза больше. Учёные давно об этом знали, но проблема была в том, что кремний, поглотивший ионы, укрупнялся в четыре раза — для аккумулятора такое не годится. К тому же кремний было сложно производить в больших количествах, так как он быстро распадался.

Исследователи из Калифорнийского университета придумали, как дёшево получать пористый кремний, который от заряда увеличивается в размерах только на треть. Идея пришла полгода назад изобретателю Закари Фейворсу, когда он отдыхал на пляже в Калифорнии. Учёный решил, что кремний можно получить из кварцевого песка. Для этого нужно очистить и измельчить песок, смешать его с солью и магнием, после чего нагреть. В ходе химической реакции соль поглотит тепло, а из магния с кварцем получится чистый нанокремний с пористой структурой. Если зарядить нанокремний ионами, то заполнятся поры, а в абсолютном измерении он укрупнится незначительно.

↑ Транзистор Intel шириной в 22 нанометра, напечатанный с помощью 3D-принтера

Закон Мура всё ещё работает: количество транзисторов, которые помещаются на микросхеме, продолжает устойчиво расти. Но толку от этого всё меньше: если с 1994 по 1998 год предельная частота центральных процессоров выросла в четыре раза, то с 2007 по 2011 год — только на треть. К тому же переход на новый технологический процесс становится с каждым разом всё затратнее. Сейчас Intel производит процессоры с шириной транзистора 22 нанометра, а в следующем году собирается перейти на 14 нанометров. Затем последуют 7 и 5 нанометров — а это уже размеры больших атомов, что может вызвать непредсказуемые квантовые эффекты.

From Sand to Silicon: The Making of a Chip, видеоролик компании Intel, описывающий создание микросхем

Надёжность микросхем с совсем крохотными транзисторами производители гарантировать не в состоянии, а потому ищут альтернативные пути развития. Такими могут стать нейросинаптические и квантовые вычисления: в первом случае они ведутся аналогично взаимодействиям нейронов и синапсов в головном мозге, во втором — по законам квантовой механики, которые не ограничиваются двоичной системой состояний. Другие технологии, о которых задумывается IBM, — нанофотоника, предлагающая передавать информацию не электрическими, а световыми импульсами, и углеродные нанотрубки, которые позволяют увеличить производительность в сравнении с кремнием в 10 раз.

Над внедрением всего этого предстоит ещё долго работать, поэтому в ближайшие несколько лет кремний из микросхем никуда не денется — другое дело, что прогресс в их производстве почти наверняка замедлится. Для простого потребителя это вряд ли станет катастрофой: простор для разного рода оптимизаций остаётся безграничным. Так что производительность точно продолжит стремительно расти, а последние усовершенствования в технологии литиево-ионных аккумуляторов позволят больше не ограничивать тех, кто выпускает портативную электронику.