Еще 15 лет назад я использовал отдельные устройства для каждой из своих нужд: телефон, фотоаппарат, GPS-навигатор и MP3-плеер. Мой рюкзак был переполнен гаджетами, а кабелей для зарядки было так много, что я едва успевал их организовать. Сегодня все эти устройства заменяет один смартфон, который не только стал легче и мощнее, но и изменил способы моего общения, работы и отдыха.
Современные технологии в области электроники имеют одну интересную особенность: мы перестаем их замечать. Мы носим с собой устройства, обладающие вычислительной мощностью, которая когда-то была доступна только космическим программам. Эти устройства стали неотъемлемой частью нашей жизни, и мы воспринимаем это как само собой разумеющееся.
Несмотря на то что вычислительная мощность постоянно увеличивается, размеры устройств не только остаются прежними, но иногда даже уменьшаются. Это создает впечатление, что инженеры нашли способ уплотнять компоненты в ограниченном пространстве, что выглядит почти как нарушение законов физики.
В данной статье мы проследим за эволюцией мобильных устройств за последние десятилетия и разберемся, какие технологии стоят за этим процессом.
Дисклеймер: Мы упростили описания, чтобы статья была доступна для широкой аудитории.
Мобильные технологии и их влияние на другие отрасли
В 1990-е годы мобильные телефоны были громоздкими устройствами, которые использовались исключительно для звонков и отправки SMS. Монохромные экраны отображали текст и простые изображения. Самыми передовыми моделями были телефоны с калькулятором, будильником и популярной игрой «Змейка».
В начале 2000-х телефоны стали значительно компактнее, получили цветные экраны и начали интегрировать несколько функций. Камеры с разрешением 1-5 мегапикселей, MP3-плееры, радио и возможность выхода в интернет через WAP/GPRS стали стандартом.
В 2010-х годах мобильные телефоны стали полноценными смартфонами с сенсорными HD-экранами и мощными процессорами. Эти устройства начали поддерживать съемку HD-видео, работу с 4G-интернетом и запуск сотен приложений. Смартфоны постепенно заменили фотоаппараты, навигаторы, плееры и кошельки.
К 2025 году смартфоны оснащены нейропроцессорами и камерами высокого уровня. Они поддерживают 5G, биометрические технологии, дополненную реальность и управляют умным домом. Современные процессоры сравнялись по мощности с ноутбуками. Вся эта технология теперь помещается в одном компактном устройстве, которое можно носить в кармане.
Конечно, подобное развитие имеет и свои минусы. Современные устройства стали гораздо сложнее в ремонте. Если 15 лет назад замена аккумулятора в телефоне занимала всего 30 секунд, то теперь для этого потребуется специальное оборудование и мастерская.
Мобильные технологии оказывают огромное влияние на другие отрасли. Компоненты для мобильных устройств отличаются высокой надежностью и доступной ценой, что способствует их быстрому внедрению в другие сферы.
Экраны: яркость и энергоэффективность
Когда-то телефоны имели тусклые монохромные экраны, на которых трудно было разобрать текст, если ты находился на улице в солнечный день. Сегодняшние смартфоны оснащены яркими экранами, которые остаются четкими даже при ярком солнечном свете.
В современных дисплеях, часто называемых «LED», используется сочетание технологий — LED-подсветка и LCD-матрица. Это правильное название для таких экранов — LED-LCD.
Принцип работы заключается в том, что задняя LED-подсветка светит через жидкие кристаллы, которые могут либо пропускать, либо блокировать свет. Затем свет проходит через цветные фильтры, создавая изображение. Можно представить этот процесс как светящийся фонарик, который проходит через витраж — примерно так работают такие экраны.
Совсем недавно на рынке появились OLED-дисплеи. В них каждый пиксель является отдельным источником света. Эти экраны могут полностью отключать пиксели в темных областях изображения, что делает черные участки на экране действительно черными, а не темно-серыми, как в случае с LED-LCD.
OLED-дисплеи обладают рядом преимуществ: они более тонкие и могут быть гибкими, что позволило создать складные смартфоны. Однако, эти экраны стоят дороже в производстве и могут выгорать со временем — вы, возможно, замечали остаточные изображения на старых экранах.
Micro LED — это новая технология дисплеев, которая обещает революционные изменения.
Примером использования Micro LED является огромный экран арены «Сфера» в Лас-Вегасе. Эта технология основана на микроскопических светодиодах, размер которых составляет менее 100 микрон — для сравнения, толщина человеческого волоса около 70 микрон.
Каждый пиксель Micro LED излучает свет и может быть полностью отключен. В отличие от OLED, в Micro LED используются неорганические светодиоды, что делает эти экраны более долговечными.
Помимо арены «Сфера», эту технологию можно встретить в телевизорах Samsung The Wall и в некоторых автомобильных дисплеях, например, в новых моделях Mini Cooper.
Сравнение технологий дисплеев
Автомобили превратились в компьютеры на колесах
Иногда вспоминаю старенькую «Волгу» отца. Механический спидометр, несколько контрольных лампочек, и единственная современная деталь — кассетный магнитофон, который он сам установил в гараже.
Современный автомобиль — это уже полноценный компьютер на колесах, оснащённый до 100 электронными блоками управления и километрами проводки. Для сравнения, среднестатистический автомобиль 1990-х годов имел около 10–15 электронных блоков и в 3–4 раза меньше проводки.
Примером таких технологий являются системы помощи водителю (ADAS). Эти системы используют камеры, радары, лидары и другие сенсоры, чтобы «видеть» дорогу и передавать информацию для обработки в реальном времени.
HDI-платы позволяют эффективно размещать все необходимые компоненты в ограниченном пространстве автомобиля. Самые современные системы автопилота, как в Tesla Model 3 или Mercedes EQS, используют Ultra HDI для максимальной производительности при минимальных размерах.
Сравнение автомобильной электроники
Однако с такой сложностью возникает и недостаток: стоимость ремонта современного автомобиля после даже небольшой аварии может в несколько раз превышать стоимость ремонта автомобилей 20 лет назад. Причина — дорогие датчики и прочая электроника.
Медицинские устройства годами работают от одной батарейки
Первые фитнес-браслеты умели считать шаги и приблизительно оценивать калории, но точность оставляла желать лучшего — погрешность в подсчёте шагов могла достигать 20–30%.
Сегодня смарт-часы могут измерять пульс с точностью 95–98% от медицинского оборудования, уровень кислорода в крови с погрешностью ±2%, снимать ЭКГ, отслеживать фазы сна, обнаруживать падения и вызывать экстренные службы. Например, Apple Watch вмещает процессор, сенсоры, батарею, экран и модули связи в корпусе размером с монету.
Современные кардиостимуляторы размером всего 2,5 см и весом менее 2 грамм — в 10 раз меньше и легче моделей, которые использовались 20 лет назад. При этом они могут работать до 15 лет без замены батареи.
Секрет заключается в применении сверхплотных плат, которые позволяют разместить сложную электронику в минимальном объёме. Хотя HDI-платы сложнее в производстве, они позволяют создавать устройства с меньшим количеством компонентов и соединений, что снижает вероятность поломок.
Короткие проводники обеспечивают лучшую целостность сигналов. Плотные компоновки с меньшими расстояниями между компонентами снижают задержки сигналов, помехи и перекрестные наводки.
Это позволяет нам создавать не только компактные, но и сверхнадёжные устройства. А для медицины надёжность — это приоритет номер один.
Как все уместить в маленьком корпусе
Возьмите свой смартфон и задумайтесь — как инженерам удалось втиснуть так много функций в такой тонкий корпус? Ответ кроется в уплотнении компонентов. Если раньше дорожки на печатных платах можно было разглядеть невооружённым глазом, то теперь для этого нужен микроскоп.
Печатная плата — это основа электронного устройства, его скелет и нервная система одновременно. В современных устройствах к ней предъявляются строгие технические требования, и классический процесс производства уже не справляется.
Чтобы создавать сверхтонкие смартфоны, миниатюрные медицинские имплантаты и компактные автомобильные системы, пришлось разработать новые технологии производства печатных плат. Давайте разберёмся, как это работает.
Эволюция плотности печатных плат
Если представить, что дорожка на печатной плате имеет аналогию с городской улицей, то за последние 20 лет мы прошли путь от многополосного проспекта к узкому переулку, в котором едва смогут разойтись два велосипедиста.
В предыдущих материалах мы рассказывали о процессе производства классических печатных плат, где используется пластина с нанесённым медным слоем толщиной от 12 до 105 микрон. Этот слой покрывается фоторезистом, подвергается засвечиванию через шаблон и затем травится, оставляя только те участки меди, которые необходимы для формирования дорожек.
Однако существует предел тонкости, до которого могут быть изготовлены дорожки с использованием классической технологии — это примерно 75–100 микрон. Процесс травления меди можно сравнить с вырезанием фигурок из бумаги: чем тоньше линии, тем сложнее их аккуратно вырезать.
Для производства HDI и Ultra HDI плат применяются другие методы, такие как SAP (Semi-Additive Process — полуаддитивный процесс) и mSAP (modified Semi-Additive Process — модифицированный полуаддитивный процесс).
В процессе SAP начинается с очень тонкого слоя меди, менее 1,5 микрон. Затем наносится фоторезист, который создаёт узор, открывающий области, где требуется более толстая медь, после чего наращивание меди происходит с использованием электрохимического метода. По завершению этого этапа фоторезист удаляется, а тонкий слой меди вытравливается там, где дорожки не нужны. Таким образом, этот процесс противоположен классическому, где ненужная медь удаляется.
Этот процесс можно аналогично сравнить с рисованием восковыми мелками, после чего рисунок заливается акварелью. Краска ложится только там, где нет воска, а в случае с SAP вместо воска используется фоторезист, а вместо краски — медь.
Технология mSAP схожа с SAP, но начинается с немного более толстого слоя меди (более 1,5 микрон), что делает производство несколько проще.
В результате этих процессов достигаются дорожки шириной от 5 до 25 микрон. Для сравнения, самая тонкая линия, которую может различить человеческий глаз, составляет примерно 30 микрон. Таким образом, дорожки на современных платах зачастую невозможно рассмотреть без использования микроскопа.
Сравнение технологий производства печатных плат
Заключение
Современные технологии каждый год демонстрируют увеличение производительности смартфонов, улучшение качества телевизоров и расширение функционала умных часов. Этот парадокс технологий заключается в том, что чем лучше они работают, тем меньше мы обращаем внимание на их работу. Микропроцессор в телефоне остаётся незаметным, пока его работа не нарушится. Однако за каждым таким успехом стоят усилия тысяч инженеров и многолетние исследования.