فناوری نانو چگونه آینده طراحی کامپیوتر ها را در دست گرفته است

فناوری نانو چگونه آینده‌ی طراحی کامپیوترها را در دست گرفته است؟

مقدمه امروزه اهمیت فناوری نانو بر کسی پوشیده نیست. اما تاثیر رشد این فناوری در برخی از حوزه ها بیشتر خودنمایی می کند. یکی از صنایعی که بیشترین نفع را از رشد نانوتکنولوژی می برد، صنعت الکترونیک است. طراحی کامپیوترها و قطعات آن ها به گونه ای است که به صورت مداوم به سمت کاهش و بهینه سازی ابعاد قطعات پیش می روند. در چنین شرایطی نقش فناوری نانو در کامپیوتر می تواند نگاه ها را به سمت خود معطوف کند....

 

نانو تکنولوژی عرصه کاربرد اجزای فوق العاده کوچک در کنار یکدیگر است. در مورد کامپیوترها، هدف از قرار دادن این اجزای نانومتری در کنار یکدیگر ساخت کامپیوترهایی سریع تر، قدرتمندتر و عملکردی روانتر در حجمی کوچک تر است. فناوری نانو در کامپیوتر نقشی بسیار مهم داشته و دارد، اما اجازه دهید تا در ابتدا کمی بیشتر با این علم آشنا شویم و سپس به نقش آن در طراحی اشاره کنیم.

 

 

فناوری نانو چیست؟

 

 

ایده اولیه طرح نانو فناوری به مفاهیمی باز می گردد که فیزیکدانی به نام ریچارد فینمن «Richard Feynman» در قرن 20 ارائه داد. زمانی که او برای نخستین بار در موسسه تکنولوژی کالیفرنیا از فرایندهایی صحبت می کرد که به دانشمندان و مهندسین این اجازه را می داد تا با دستکاری اتم ها و مولکول ها، خواص ماده را تحت کنترل خود دربیاورند. این جا بود که فینمن برای نخستین بار اصطلاح «نانوتکنولوژی» را به کار برد.

 

 

 

 

با این وجود تا اوایل دهه 80 میلادی، شامل تحول شگرفی در این علم نبودیم تا زمانی که میکروسکوپ های الکترونی (TEM) عبوری این امکان را می دادند که اتم ها را به صورت

 

 

اما در عمل دستکاری اتم ها در مقیاس آنگستروم می تواند کمی دشوار باشد. یک نانومتر چیزی معادل یک میلیونیم یک میلیمتر است که حتی تصور آن نیز برای ما غیر ممکن خواهد بود! برای درک ملموس تر این بعد، تصور کنید که یک سنگ مرمر استاندارد ابعادی معادل یک نانومتر داشته باشد، در آن صورت ابعاد کل کره زمین تنها معادل یک متر می شود!

 

 

 

 

مفهوم نانو یعنی بسیار کوچک! بنابراین برای توسعه این علم به میکروسکوپ های قدرتمندی نیاز داریم که بتواند اطلاعات دقیقی از ساختار تک تک اتم ها را به دست ما بدهد. میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) دو ابزار مهمی هستند که فناوری نانو رشد خود را به رشد و توسعه این میکروسکوپ ها مدیون هستند.

 

 

گرچه همان طوری که گفتیم، مفهوم نانو به عنوان یک علم، کمتر از 100 سال است که مورد توجه قرار گرفته است، اما خوب است بدانید که نانو به صورت کاربردی از هزاران سال پیش مورد استفاده قرار می گرفته است! در روزهایی که ذراتی از طلا، نقره و شیشه های رنگی به مخلوطی از شیشه اضافه می شدند تا رنگ آن را دستخوش تغییر کنند. گرچه در آن زمان این کار به منظور تغییر رنگ شیشه انجام می شد، اما ناخودآگاه ساختار آن نیز دستخوش تغییراتی می شد.

 

 

نانوتکنولوژی چگونه معادلات محاسباتی را به نفع خود تغییر می دهد؟

 

 

محققین هر چه بیشتر که به سمت استفاده از این فناوری در محاسبات پیش می روند، با ابعاد جدیدی از سلطه فناوری نانو در محاسبات مواجه می شوند. نانولوله های کربنی یک دستاوردی بود که علاوه بر مهندسی و علم مواد، در حوزه مهندسی الکترونیک نیز به طراحی ترانزیستورها کمک شایانی کرد. در حال حاضر شرکت IBM در حال توسعه ترانزیستورهای سیلیکونی با استفاده از این نانولوله ها است تا مانع از دور خارج شدن این ترانزیستورها شود که کم کم قدیمی می شوند. اما بر اساس نظریاتی که در همین امسال (سال 2020 میلادی) مطرح شده، ترانزیستورهای سیلیکونی با محدودیت در توسعه مواجه هستند و ترانزیستورهایی بر پایه نانولوله های کربنی جایگزینی برای آن ها خواهند بود.

 

 

در واقع هدف از این کار ساخت ترانزیستورهایی کوچک تر و کوچک تر است تا بتوان از قانون مور (Moore’s Law) تبعیت کرد. بر اساس این قانون، هر دوسال یک بار، تعداد ترانزیستورهایی که در یک مدار مشخص قرار می گیرند، باید دو برابر شود. این بدین معناست که تا پایان امسال، مهندسین باید قادر به تولید ترانزیستورهایی با ابعاد کوچک تر از 5 نانومتر باشند!

 

 

 

 

اما دستیابی به ترانزیستورهایی بر پایه نانولوله های کربنی کار ساده ای نیست! زیرا در حال حاضر این ترانزیستورها عملکردی ضعیف تر از ترانزیستورهای سیلیکونی دارند. با این حال، محققین در تلاش هستند تا راه حل هایی برای غلبه بر این مشکل پیدا کنند. در حال حاضر محققین دانشگاه Wisconsin-Madison در حال توسعه ترانزیستورهایی هستند که عملکردی بهتر از ترانزیستورهای سیلیکونی داشته باشند. این افراد در آزمایش های خود موفق شده اند ترانزیستوری با عملکرد 1.9 برابر ترانزیستورهای سیلیکونی برسند. اگر این آزمایش قابل تکرار باشد، دریچه ای جدید در حوزه طراحی ترانزیستورها باز می شود که به لطف فناوری نانو امکان پذیر است.

 

 

محققان برجسته در حوزه مطالعات و طراحی ترانزیستورها بر این باورند که نانو لوله های کربنی می توانند تا 5 برابر اطلاعات را سریع تر منتقل کنند و در عین حال 5 برابر انرژی کمتری نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی مصرف می کنند. اما این سناریو فعلا روی کاغذ ممکن شده است. مشکل اصلی در استفاده از فناوری نانو در بخش محاسبات، ساخت و جداسازی ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی است.

 

 

 

 

مشکل اصلی در جداسازی نانولوله های کربنی به صورت خالص است تا در ترانزیستورها مورد استفاده قرار گیرند. وجود هرگونه ناخالصی در نانولوله، عملا آن را برای استفاده در ترانزیستور بی فایده می کند!

 

 

چیزی که می توان از این مبحث متوجه شد این است که کار کردن و توسعه این نانولوله ها کاری بسیار سخت است، هنگامی که شما مجبور هستید در چنین ابعاد کوچکی کار کنید. اما چیزی که مشخص است، این است استفاده از فناوری نانو در کامپیوتر ، بهترین راه برای انتقال اطلاعات به حساب می آید.

 

 

در کنار توسعه دستگاه هایی در ابعاد نانو، فیزیکدانان در حال توسعه نانوفتونیک ها (Nanophotonics) هستند. نانوفتونیک می تواند سیگنال‌های نوری با ابعاد نانو را برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات منتقل کند.

 

 

 

 

تمامی این موارد نشان می دهند که نانوتکنولوژی نقشی اصلی در سناریوی طراحی کامپیوترهای جدیدتر و پرسرعت تر داشته است و خواهد داشت. با توسعه دانش ما در رفع چالش ها و توسعه قطعات جدیدتر، بدون شک آینده محاسبات در اختیار فناوری نانو خواهد بود.