Почти 35 лет назад советский ученый Виктор Михайлович Глушков в книге «Основы безбумажной информатики» сделал смелое заявление. Он предположил, что в ближайшем будущем каждый человек станет носить с собой некое электронное устройство, состоящее из плоского дисплея и радиопередатчика. Как писал Глушков, устройство будет предназначено в первую очередь для того, чтобы у его владельца была возможность получать информацию из объединенных в общую сеть баз данных. Находясь почти в любой точке планеты, вы сможете вывести себе на экран какой угодно текст или изображение по вашему желанию. Фантастика, не правда ли?

В настоящий момент микроэлектроника — область науки, которая развивается, пожалуй, самыми быстрыми темпами. Технологические прорывы в ней происходят так часто, что даже рядовой обыватель рискует быть перегруженным потоком новостей и датами выхода очередных моделей. Современный смартфон — своего рода вершина технический мысли нашей эпохи. Невероятный спрос приводит к сокращению сроков между научным открытием и внедрением технологии в массовое производство. На уже сделанных открытиях базируются новые, процесс идет по цепочке, ускоряясь каждый год.

Количество инноваций, гениальных идей и инженерных решений, сосредоточенных внутри этого маленького устройства, превышает все мыслимые пределы, поэтому мы коснемся лишь некоторых из них и рассмотрим, как функционируют отдельные элементы, без которых немыслим ни один уважающий себя современный гаджет.

Сенсорный экран

Долгое время в портативных девайсах использовался так называемый резистивный сенсорный экран. Он подчинялся нажатию специальной пластиковой ручкой — стилусом, не поддерживал несколько нажатий сразу и работал достаточно медленно. Часто давить нужно было с ощутимым усилием. Быстро набирать текст и оставлять росчерки на таком дисплее можно было только при наличии определенной доли сноровки. Оно и понятно: сенсор сконструирован таким образом, что пользователь должен деформировать внешний слой экрана. По сути, экран просто состоял из двух тонких слоев, между которыми оставалось некоторое расстояние. «Тычком» стилуса внешний слой проминался так, чтобы «дотянуться» до внутреннего, за счет чего замыкался электрический контакт в том месте, где произошло касание.

Современные мультитач-экраны работают по другому принципу и носят название емкостных. Функционирование таких гаджетов становится возможным благодаря способности материалов накапливать электрический заряд, а именно — их электрической емкости (откуда подобные экраны и получили свое название). Дело в том, что предметы большой емкости лучше проводят переменный ток. При этом хорошо известный «предмет большой емкости» — человеческое тело. Под экраном телефона расположена сетка электродов. Когда вы касаетесь экрана своим пальцем, то создаете электрический контур с электродами в точке касания. В этом контуре есть все ваше тело, которое обладает нужной емкостью. Измеряя эту емкость, телефон понимает, кто и в каком месте коснулся экрана. 

То есть да, айфон бьет вас током всякий раз, когда вы до него дотрагиваетесь, но сила этого «удара» ниже порога чувствительности. Именно поэтому старые пластиковые стилусы с современными смартфонами не работают: они просто не обладают нужной емкостью. По этой же причине телефоном не удастся управлять в перчатках, которые создают препятствие для протекания тока.

Датчик угла наклона

Так называемый акселерометр, способный определить, под каким углом вы держите смартфон, является еще одним интересным нововведением последних лет. Но принцип его работы довольно прост, и здесь мы должны быть благодарны силе притяжения Земли.

Представьте, что у вас есть тяжелый шарик, надетый на ось, по которой он может перемещаться вниз и вверх. Если подвесить этот шарик на пружине, то пружина растянется под действием силы тяжести. Но стоит нам положить ось с шариком горизонтально, пружина обратно сожмется, потому что теперь сила тяжести будет направлена перпендикулярно оси. Иными словами, меняя угол наклона оси, мы будем менять степень растянутости пружины. И наоборот — если измерим эту «растянутость», то можем узнать угол.

Подобное устройство, только миниатюрное, используется и в телефонах. Кстати, датчик угла реагирует в том числе на центробежную силу. Попробуйте достать телефон и включить в нем, например, приложение-уровень, когда машина резко поворачивает. Уровень (подобно настоящему прибору в таких же условиях) будет отклоняться в сторону от направления поворота, а не только туда, куда направлена сила тяжести.

NFC-модуль

Еще одним любопытным компонентом сегодняшних гаджетов является модуль связи NFC, позволяющий, например, передавать файлы между телефонами, просто поднося их друг к другу. Либо оплачивать покупки простым прикосновением телефона к платежному терминалу.

За основу работы этого модуля взят тот же принцип, по которому функционируют бесконтактные смарт-карты, используемые сейчас в качестве электронных проездных в метро. Работа этих карт основана на эффекте электромагнитной индукции — способности переменного электромагнитного поля создавать ток в замкнутом контуре на расстоянии (подробнее об этом рассказано в статье, в которой речь шла о бытовых приборах). Когда электрический контур с нужными характеристиками попадает в область действия переменного электромагнитного поля, в нем начинает течь ток, параметры которого зависят от характеристик этого поля. Таким образом, меняя параметры поля, с одной стороны, и измеряя характеристики полученного тока, с другой, можно передавать информацию на небольшие расстояния.

Модули связи

Но основным назначением смартфона, несмотря на множество функций, является все-таки обеспечение процесса связи и получения информации — будь то обычный разговор по телефону, поисковый запрос в интернете или определение местоположения. О том, как работает GPS, можно почитать в отдельной статье, а вот на принципе работы сотовых сетей остановимся чуть подробнее.

Собственно, сама по себе радиосвязь существует уже не одно десятилетие и давно перестала кого-либо удивлять. Современный GSM — это просто перечень определенных характеристик оборудования и правил его установки для обеспечения нужной структуры связи.

Таким образом, каждая станция должна быть на одинаковом расстоянии от всех других станций, ближайших к ней. Если мы расставим вышки с учетом этого условия, то они образуют структуру шестиугольных ячеек, похожих на пчелиные соты. Это происходит из-за одной особенности правильного шестиугольника: расстояние от его центра до каждой из вершин равно расстоянию между соседними вершинами. Другие фигуры таким свойством не обладают, так что шестиугольник как бы получается сам собой.

Вторая важная характеристика радиосвязи — это так называемое частотное разделение каналов. Дело в том, что вышка не может излучать отдельный сигнал для каждого телефона, подключенного к ней. В лучшем случае ей пришлось бы с очень высокой точностью знать местоположение этого телефона, но и тогда человек с другим аппаратом мог бы «заслонить» любого говорящего, перехватив его сигнал.

По этой причине станция излучает один сигнал сразу для всех телефонов, подключенных к ней. И электромагнитное поле, доходящее до вашего телефона, на самом деле содержит в себе разговоры всех остальных людей, которые ведутся в данный момент с помощью этой же станции. Да-да, где-то там, в этой электромагнитной волне, которая попадает на приемник в ваших руках, будет и смска человека через дорогу, и веб-запрос одинокого серфера в кафе поблизости, и разговор, ведущийся кем-то в соседнем квартале…

Все эти волны объединяются в одну таким образом, чтобы, зная частоту, другими математическими алгоритмами можно было извлечь из этой результирующей сложной волны только нужную отдельному абоненту часть. И чтобы нельзя было, даже зная соседнюю частоту, извлечь часть, предназначенную кому-то другому.

Английский фантаст Артур Кларк сравнивал достаточно развитую технологию с магией — но только по внешним проявлениям, потому что в жизни ничего не происходит по мановению волшебной палочки. Каждый из нас сегодня носит в кармане квинтэссенцию многолетней работы сотен тысяч гениальных умов, результат которой значительно упрощает жизнь и добавляет в нее изрядное количество чудес. Хорошо, что человечество не собирается останавливаться на достигнутом.