چکیده
در صنعت کامپیوتر، قابلیت نانو ماشینها برای کوچک کردن ترانزیستورها روی تراشه های سیلیکونی می تواند انقلابی در این زمینه بوجود آورد. از فناوری نانو همچنین برای ساخت نسل جدیدی از اجزا» کامپیوتری استفاده خواهد شد. کامپیوترهای مولکولی می توانند اجزایی را در خود جای دهند که این اجزا» تریلیون ها بایت اطلاعات را در خود جای می دهند و این در حالی است که کل این ساختار از یک حبه قند بزرگتر نیست.
کاربرد فناوری نانو در الکترونیک و کامپیوتر
نانومتر چقدر است؟
یک نانومتر یک میلیاردم متر (10-9 m) است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین آی سیهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.
امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن (R.Feynnman) ، برنده جایزه نوبل فیزیک مطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را رد نمی‌کند. وی اظهار داشت که می‌توان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتب کوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.
همین عبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینه‌های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانو ماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند، هر دانشمندی را به وجد می‌آورد. در رویای دانشمندانی مثل جی استورس هال (J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روباتها یا ماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در می‌آیند. شاید در آینده‌ای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تخت خوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.
چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟
خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارآیی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود.
نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.
ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت ، واکنشهای شیمیایی ، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت‌تر و غیرشکننده‌تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند. وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.
منافع نانوتکنولوژی چیست؟
مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده‌اند، شیشه‌هایی که خودبه خود تمیز می‌شوند، مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده‌اند، ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان سازها ، هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ دانه و ... .
الکترونیک
طراحان پردازنده های کامپیوتری ، همواره مجبور بوده اند که بین سرعت ، قدرت ، و ابعاد فیزیکی این ابزارها ، به حالت میانه ای قناعت کنند . اما گسترش استفاده از کامپیوترها در جنبه های مختلف زندگی بشر ، خصوصاً در مسائل پیچیده ی علمی ، لزوم ساخت پردازنده های سریعتر، پرقدرت تر ، و در عین حال کوچکتر را بیشتر کرده است .
فناوری CMOS در ساخت پردازنده های رده VLSI طی چند دهه ی گذشته ، تقریباً بی رقیب بوده است . در سال 1965 ، « مور » پیش بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای موجود در یک ریزپردازنده ، تقریباً در هر 18 ماه دو برابر خواهد شد . این بیان که پس از آن به کمک فناوری هایی مثل CMOS به طرز شگفت آوری با واقعیت مطابقت داشته ، به « قانون مور » معروف شده است .
اما آیا می توان تا ابد با CMOS چنین روندی را ادامه داد ؟ مسلماً فناوری CMOS محدودیت هایی در کوچکتر کردن ترانزیستورهای اثر میدانی خواهد داشت . در واقع پیش بینی می شود که برای ولتاژ تغذیه ی حدود 1.0V در ترانزیستورهای اثر میدانی CMOS نهایتاً بتوان به طول کانالی در حدود 30 نانومتر و ضخامت اکسید حدود 5/1 نانومتر دست یافت .
مشکل دیگر فناوری CMOS این است که با افزایش تعداد ترانزسیتورهای مجتمع در یک پردازنده ، به مرور زمان تعداد بیشتری از ترانزیستورها از بین می روند و در نتیجه خطای سیستم افزایش می یابد .
اما مشکلات دیگری هم در مورد این فناوری وجود دارد . با افزایش تعداد ترانزیستورهای یک مدار مجتمع ، طول سیم های مورد استفاده برای اتصال آنها به یکدیگر افزایش و قطر آنها کاهش می یابد . این تغییرات باعث افزایش مقاومت الکتریکی این سیستم ها می شوند . همچنین کوچکتر کردن ترانزیستورها ، باعث کاهش ضخامت عایق موجود در آنها شده و ظرفیت الکتریکی آنها افزایش می یابد . به این ترتیب حاصلضرب مقاومت و ظرفیت الکتریکی که مشخص کننده تأخیر یک مدار الکتریکی متناوب است ، با افزایش فشردگی مدارهای مجتمع بسیار زیاد گشته ، و این پدیده کاهش سرعت محاسباتی مدارهای پردازشگر را به دنبال خواهد داشت .
مشکلاتی از این دست ، تولید مدارهای فشرده تر CMOS را ( حتی در صورت امکان ) بی فایده می سازد . بنابراین ، در آینده مجبور خواهیم بود تا فناوری های دیگری را برای ساخت پردازشگرها مورد استفاده قرار دهیم . با پیشرفت های نانو تکنولوژی این امید به وجود آمده است که در آینده ای نه چندان دور ، بتوانیم در صنعت تولید ریزپردازنده ها حتی از سد قانون مور نیز بگذریم .
شاید یکی از اولین موفقیت ها در زمینه ساخت نانوکامپیوترها ، طراحی ترانزیستورهای تونلی تک الکترونی[1] در سال 1985 ، توسط « اِیورین[2] » و « لیخاروف[3] » بوده است . این ترانزیستورها که بر اساس خواص کوانتومی الکترونها ساخته شده اند ، تنها با جابجایی یکی از آنها کار می کنند . کار با این جریان های کوچک ، ساخت چنین ابزارهایی را در ابعاد بسیار ریز ممکن می کند .
همچنین با پیشرفت نانوفناوری محققان توانسته اند ترانزیستورها ، دیودها ، و گیت های منطقی را به کمک نانولوله های کربنی بسازند . رسانایی نانولوله های کربنی با اعمال میدان های الکتریکی ، قابل کنترل است . بنابراین جایگزینی با سیلیکون ، می تواند ترانزیستورهای اثر میدانی کوچکتر و کارآمدتری را تولید کند .
کارهای دیگری از این دست به کمک نانوسیم های نیم رسانا انجام شده است . قابلیت تولید انبوه چنین ساختارهای نیم رسانای کوچکی با روش های شیمیایی ، آنها را به گزینه مناسبی برای تولید ابزارهای محاسباتی و منطقی بسیار کوچک تبدیل کرده است .
نانوکامپیوتر ها
با پیشرفت های علم الکترونیک در سایه فناوری نانو ، قطعات و سخت افزارهای جدیدی بوجود آمده است که منجر به تولید نسلی نوین از رایانه ها ، بنام « نانوکامپیوترها » شده است . در ادامه به دو فناوری مهم در ساخت نانوکامپیوترها می پردازیم .
نانوکامپیوترهای DNA
دسته ای از اکتشافات در پنجاه سال اخیر ، قابلیت بسیار زیاد سلول های زنده در نگهداری و پردازش اطلاعات را برای ما آشکار ساخته اند . از این گونه تحقیقات متوجه شده ایم که دستورالعمل های لازم برای انجام صحیح وظایف سلول ها و اطلاعات وراثتی ، به صورت دیجیتالی در ژن ها ذخیره می شوند . از بسیاری جهات ( ازجمله تراکم اطلاعات و مصرف انرژی ) ، پردازش و ذخیره سازی اطلاعات در سیستم های زیستی مناسب تر و کارآمد تر از فرایندهای انجام گرفته در اجزای الکترونیکی - دیجیتالی کامپیوترهای امروزی است . همچنین طی این مدت به تکنیک های جدیدی برای بریدن ، کپی کردن و خواندن اطلاعات مولکول های DNA دست یافته ایم . اکنون حتی می توانیم الگوهای ژنتیکی دلخواهمان را با کنار هم گذاشتن تکه های مختلف مولکول های DNA به وجود آوریم .
زیست شناسان بسیار پیش از آنکه کسی تصور پردازش اطلاعات با DNA را داشته باشد ، دانش بسیار زیادی در مورد آن گردآوری کرده بودند . در سال 1994 ، « اَدِلمن[4] » در یک پژوهش آزمایشگاهی دسته ای از مولکول های DNA را برای یافتن جوابی برای مسأله « مسیرهای همیلتونی » به کار برد . پس از آن مسائل پیچیده تری هم با استفاده از الگوریتم های مبتنی بر DNA مورد بررسی قرار گرفته ، و کم کم استفاده از DNA در کامپیوتر های مولکولی به عنوان جایگزینی برای کامپیوترهای سیلیکونی مورد توجه قرار گرفته است . قابلیت انجام تعداد زیادی محاسبه (در حدود 106 ) به صورت موازی در چنین کامپیوترهایی ، مزیت عمده ی آنها نسبت به کامپیوترهای سیلیکونی است .
کاربردهای زیادی برای DNA کامپیوتر ها پیش بینی می شود . اما مهمترین کاربرد ، استفاده در تشخیص بیماری ها است . این نوع کامپیوترها ( و انواع دیگر کامپیوترهای بیولوژیک ) به دلیل قابلیت بالای ارتباط با سیستم های زیستی ، توانایی پردازش شرایط و طرز عملکرد آنها را دارند .