کاربرد فناوری نانو در الکترونیک و کامپیوتر

الکترونیک

طراحان پردازنده هاي کامپيوتري ، همواره مجبور بوده اند که بين سرعت ، قدرت ، و ابعاد فيزيکي اين ابزارها ، به حالت ميانه اي قناعت کنند . اما گسترش استفاده از کامپيوترها در جنبه هاي مختلف زندگي بشر ، خصوصاً در مسائل پيچيده ي علمي ، لزوم ساخت پردازنده هاي سريعتر، پرقدرت تر ، و در عين حال کوچکتر را بيشتر کرده است .

فناوري CMOS در ساخت پردازنده هاي رده VLSI طي چند دهه ي گذشته ، تقريباً بي رقيب بوده است . در سال 1965 ، « مور » پيش بيني کرد که تعداد ترانزيستورهاي موجود در يک ريزپردازنده ، تقريباً در هر 18 ماه دو برابر خواهد شد . اين بيان که پس از آن به کمک فناوري هايي مثل CMOS به طرز شگفت آوري با واقعيت مطابقت داشته ، به « قانون مور » معروف شده است .

اما آيا مي توان تا ابد با CMOS چنين روندي را ادامه داد ؟ مسلماً فناوري CMOS محدوديت هايي در کوچکتر کردن ترانزيستورهاي اثر ميداني خواهد داشت . در واقع پيش بيني مي شود که براي ولتاژ تغذيه ي حدود 1.0V در ترانزيستورهاي اثر ميداني CMOS نهايتاً بتوان به طول کانالي در حدود 30 نانومتر و ضخامت اکسيد حدود 5/1 نانومتر دست يافت .

مشکل ديگر فناوري CMOS اين است که با افزايش تعداد ترانزسيتورهاي مجتمع در يک پردازنده ، به مرور زمان تعداد بيشتري از ترانزيستورها از بين مي روند و در نتيجه خطاي سيستم افزايش مي يابد .

اما مشکلات ديگري هم در مورد اين فناوري وجود دارد . با افزايش تعداد ترانزيستورهاي يک مدار مجتمع ، طول سيم هاي مورد استفاده براي اتصال آنها به يکديگر افزايش و قطر آنها کاهش مي يابد . اين تغييرات باعث افزايش مقاومت الکتريکي اين سيستم ها مي شوند . همچنين کوچکتر کردن ترانزيستورها ، باعث کاهش ضخامت عايق موجود در آنها شده و ظرفيت الکتريکي آنها افزايش مي يابد . به اين ترتيب حاصلضرب مقاومت و ظرفيت الکتريکي که مشخص کننده تأخير يک مدار الکتريکي متناوب است ، با افزايش فشردگي مدارهاي مجتمع بسيار زياد گشته ، و اين پديده کاهش سرعت محاسباتي مدارهاي پردازشگر را به دنبال خواهد داشت .

مشکلاتي از اين دست ، توليد مدارهاي فشرده تر CMOS را ( حتي در صورت امکان ) بي فايده مي سازد . بنابراين ، در آينده مجبور خواهيم بود تا فناوري هاي ديگري را براي ساخت پردازشگرها مورد استفاده قرار دهيم . با پيشرفت هاي نانو تکنولوژي اين اميد به وجود آمده است که در آينده اي نه چندان دور ، بتوانيم در صنعت توليد ريزپردازنده ها حتي از سد قانون مور نيز بگذريم .

شايد يکي از اولين موفقيت ها در زمينه ساخت نانوکامپيوترها ، طراحي ترانزيستورهاي تونلي تک الکتروني[1] در سال 1985 ، توسط « اِیورین[2] » و « لیخاروف[3] » بوده است . اين ترانزيستورها که بر اساس خواص کوانتومي الکترونها ساخته شده اند ، تنها با جابجايي يکي از آنها کار مي کنند . کار با اين جريان هاي کوچک ، ساخت چنين ابزارهایی را در ابعاد بسيار ريز ممکن مي کند .

همچنين با پيشرفت نانوفناوري محققان توانسته اند ترانزيستورها ، ديودها ، و گيت هاي منطقي را به کمک نانولوله هاي کربني بسازند . رسانايي نانولوله هاي کربني با اعمال ميدان هاي الکتريکي ، قابل کنترل است . بنابراين جايگزينی با سيليکون ، مي تواند ترانزيستورهاي اثر ميداني کوچکتر و کارآمدتري را توليد کند .

کارهاي ديگري از اين دست به کمک نانوسيم هاي نيم رسانا انجام شده است . قابليت توليد انبوه چنين ساختارهاي نيم رساناي کوچکي با روش هاي شيميايي ، آنها را به گزينه مناسبي براي توليد ابزارهاي محاسباتي و منطقي بسيار کوچک تبديل کرده است .

نانوکامپیوترها

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 مي پردازيم .

نانوکامپیوترهای DNA

دسته اي از اکتشافات در پنجاه سال اخير ، قابليت بسيار زياد سلول هاي زنده در نگهداري و پردازش اطلاعات را براي ما آشکار ساخته اند . از اين گونه تحقيقات متوجه شده ايم که دستورالعمل هاي لازم براي انجام صحيح وظايف سلول ها و اطلاعات وراثتي ، به صورت ديجيتالي در ژن ها ذخيره مي شوند . از بسياري جهات ( ازجمله تراکم اطلاعات و مصرف انرژي ) ، پردازش و ذخيره سازي اطلاعات در سيستم هاي زيستي مناسب تر و کارآمد تر از فرايندهاي انجام گرفته در اجزاي الکترونيکي - ديجيتالي کامپيوترهاي امروزي است . همچنين طي اين مدت به تکنيک هاي جديدي براي بريدن ، کپي کردن و خواندن اطلاعات مولکول هاي DNA دست يافته ايم . اکنون حتي مي توانيم الگوهاي ژنتيکي دلخواهمان را با کنار هم گذاشتن تکه هاي مختلف مولکول هاي DNA به وجود آوريم .

زيست شناسان بسيار پيش از آنکه کسي تصور پردازش اطلاعات با DNA را داشته باشد ، دانش بسيار زيادي در مورد آن گردآوري کرده بودند . در سال 1994 ، « اَدِلمن[4] » در يک پژوهش آزمايشگاهي دسته اي از مولکول هاي DNA را براي يافتن جوابي براي مسأله « مسيرهاي هميلتوني » به کار برد . پس از آن مسائل پيچيده تري هم با استفاده از الگوريتم هاي مبتني بر DNA مورد بررسي قرار گرفته ، و کم کم استفاده از DNA در کامپيوترهاي مولکولي به عنوان جايگزيني براي کامپيوترهاي سيليکوني مورد توجه قرار گرفته است . قابليت انجام تعداد زيادي محاسبه (در حدود 106 ) به صورت موازي در چنين کامپيوترهايي ، مزيت عمده ي آنها نسبت به کامپيوترهاي سيليکوني است .

کاربردهاي زيادي براي DNA کامپيوترها پيش بيني مي شود . اما مهمترين کاربرد ، استفاده در تشخيص بيماري ها است . اين نوع کامپيوترها ( و انواع ديگر کامپيوترهاي بيولوژيک ) به دليل قابليت بالاي ارتباط با سيستم هاي زيستي ، توانايي پردازش شرايط و طرز عملکرد آنها را دارند .

مرحله ي اول در ساخت اين کامپيوترها طراحي واحدهاي پايه پردازشي ( گيت هاي منطقي ) از DNA است . واحدهاي پردازشي کوچک زيادي با استفاده از DNA ساخته شده اند که مي توانند عمليات محاسبه اي ساده اي را انجام دهند .

ساختار مارپيچ دوگانه مولکول هاي DNA ، در اواسط قرن بيستم با پراش پرتو X شناسايي شد . هر يک از اين مارپيچ ها پليمرهايي هستند که از واحدهاي کوچکتري به نام « نوکلئوتيد » ساخته شده اند . اطلاعات زيستي به صورت رشته هايي از همين چهار نوع نوکلئوتيد ( A,T,C,G) ذخيره مي شوند . واحد هاي T و A با هم و واحدهاي C و G با هم متمم هستند و از همين خاصيت براي تکثير DNA و انتقال اطلاعات به نسل هاي بعدي استفاده مي کنند . هر رشته ي خاص نوکلئوتيد ها ، فقط با رشته ي متمم خود پيوند شيميايي پايدار برقرار مي کند . اين واقعيت و همچنين سهولت ساخت اين مولکول هاي کوچک ، باعث شده تا آنها را به عنوان ورودي و خروجي گيت هاي منطقي انتخاب کنيم . از خروجي يک گيت به عنوان ورودي گيت بعدي استفاده مي شود و به اين ترتيب يک سيستم پردازشي به وجود مي آيد .

ساختمان اصلي اين گيت ها از نوعي مولکول DNA با خاصيت کاتاليزگري ساخته مي شود . کاتاليزگرها مولکول هايي هستند که باعث انجام فرايندهاي شيميايي روي مولکول هاي ديگر مي شوند . انواع مختلفي از DNA هاي کاتاليزگر ساخته شده اند که هر کدام فرايند شيميايي خاصي را ايجاد مي کنند . اجرای انواع خاصي از اين فرايندها روي ورودي ها ، براي محاسبات منطقي استفاده مي شود . وقتي رشته ي مناسبي از نوکلئوتيدها ( ورودي ) با ساختمان گيت پيوند برقرار کند ، قسمت هاي کاتاليزگري آن فعال شده و واکنش شيميايي خاصي به وجود مي آورند . به اين ترتيب يک مولکول کاتاليزگر مي تواند مولکول خاصي را شناسايي کرده و وجود يا عدم وجود آن را اعلام نمايد ( صفر يا يک ) . اين پديده اي است که گيت هاي منطقي بر اساس آن ساخته مي شوند .

در ساختمان يک گيت منطقي باينري دو رشته ي خاص از نوکلئوتيدها وجود دارد . اگر مولکول هاي متمم اين دو رشته را به گيت برسانيم ، قسمت هاي کاتاليزگر گيت فعال شده و مولکول خاصي را به عنوان يک منطقي توليد مي کند . با ايجاد تغيير در ساختمان گيت مي توان توليد يک منطقي را براي ورودي هاي مختلف تحت کنترل در آورد و محاسبات منطقي مختلفي را انجام داد .

با استفاده از DNA گيت هاي مختلفي از جمله گيت حسگر ( بافر ) ، گيت OR ، گيت AND ، گيت NOT ، گيت NAND و گيت XOR را مي توان ساخت . تا قبل از توليد اين نوع از گيت هاي منطقي ، انجام محاسبات ساده ي باينري با کمک DNA بسيار سخت تر از حل مسائل پيچيده اي مثل مسأله ي مسيرهاي هميلتوني بود .

اَدِلمن در حل اين مسأله از تکثير خطي ( يک بعدي ) مولکول هاي DNA براي ايجاد مسيرهاي هميلتوني در يک گراف استفاده کرد . مولکول هاي DNA مي توانند ساختارهاي پيچيده تري با قابليت تکثير دو بعدي و سه بعدي را نيز بسازند . اين ساختارهاي کوچک مي توانند مانند واحدهاي سازنده ي بلورهاي طبيعي ( اتم ها ) در کنار يکديگر قرار گرفته و ساختارهاي پيچيده و منظم بزرگتري (مثل بلور) به وجود آورند . با اِعمال کنترل و برنامه ريزي روي اين شکل از گسترش و تکثير بلوري مي توان محاسبات رياضي را به کمک اين ساختارها انجام داد . اين يکي از روش هاي ديگري است که براي انجام محاسبات رياضي و منطقي مورد توجه پژوهش گران قرار گرفته است .

زمان لازم براي حل مسأله ي مسيرهاي هميلتوني در کامپيوتر هاي معمولي به صورت نمايي با اندازه ي مسأله زياد مي شود . اما با روش هاي خاص شيميايي مربوط به مولکول هاي DNA به صورت همزمان مي توان تمام راه حل هاي بالقوه ي چنين مسائلی را پيش بيني کرد و سپس راه حل هاي غلط را جدا نمود و به جواب درست رسيد ، و اين با توجه به اين واقعيت که يک سی سی از مولکول هاي DNA مي تواند در حدود 260 بيت اطلاعات را در خود ذخيره کند ، راه حل مناسبي به نظر مي رسد . همچنين در سالهاي اخير پيشرفت هاي صورت گرفته در زمينه ي واکنش هاي الکترو شيميايي مربوط به مولکول هاي DNA ، امکان آشکار سازي الکتريکي خروجي DNA را به وجود آورده است . بنابراين اميد اين که در آينده بتوان از اين نوع کامپيوترهاي بيولوژيک در مسائل کاربردي استفاده کرد وجود دارد .

نانوکامپیوترهای کوانتومی

فاينمن اولين کسي بود که در سال 1982 پيشنهاد استفاده از مکانيک کوانتومي را براي پياده سازي الگوريتم هاي محاسباتي ارائه کرد . فناوری هاي نيم رساناي مورد استفاده در کامپيوترهاي امروزي کاملاً به وسيله ي قوانين الکتروديناميک کلاسيک قابل توصيف هستند . اما در مقياس هاي بسيار کوچکتر از اجزاي الکترونيکي حاضر ، قوانين فيزيک کوانتومي جاي قوانين کلاسيک را مي گيرند . پس کامپيوتري که براي انجام محاسبات خود از اين قوانين استفاده کند ، مي تواند بسيار کوچکتر از کامپيوترهاي امروزي باشد و انرژي کمتري مصرف کند . براي مثال ، فرايند نوشتن و خواندن اطلاعات در يک بيت معمولي با جرياني از 106 تا 109 الکترون صورت مي گيرد ، در حاليکه اين عمل در يک سيستم کوانتومي تنها با جابجايي يک الکترون قابل اجرا است . چنين پديده هايي با قوانين کلاسيک توجيه پذير نيستند .

بيت کوانتومي

در کامپيوترهاي معمولي ، يک بيت از اطلاعات با ولتاژ يک سيم نشان داده مي شود ( ولتاژ کمتر صفر و ولتاژ بیشتر يک منطقي را نمايش مي دهد ) . اما راه هاي ديگري هم براي نشان دادن اين بيت وجود دارد . براي مثال ، مي توان يک بيت را با حالت يک الکترون در يک اتم هيدروژن نشان داد . حالت پايه ي الکترون مي تواند نماينده ي صفر و يکي از حالات برانگيخته ي آن مي تواند نماينده ي يک باشد . اينها دو حالت ممکن براي اين الکترون در فيزيک کلاسيک هستند . اما طبق يکي از قوانين مکانيک کوانتومي به نام « اصل ابر حالت » ، يک سيستم کوانتومي ( از جمله اتم هيدروژن ) مي تواند در حالتي متشکل از هر ترکيب خطي از حالات ممکن نيز باشد . به چنين سيستمي يک « کوانتوم بيت » گفته مي شود که هم ارز بيت هاي معمولي در کامپيوترهاي معمولي است .

از آنجا که کامپیوترهای کوانتومی می توانند اطلاعات چندگانه را در یک زمان نگه داری نمایند ، احتمال داده می شود که توانایی اجرای یک میلیون محاسبه را بطور همزمان داشته باشند . اما چون این کامپیوترها وابسته به پدیده های کوانتومی هستند ، به شدت در مقابل نویز آسیب پذیرند . لذا روشی برای اصلاح خطا[۵] در آنها مورد نیاز است و محققانی همچنان در حال کار بر روی حل این مشکل اند . به هر حال کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه به سر می برند .

کاربرد فناوری نانو در الکترونیک و کامپیوتر

مطالب مشابه :

کاربرد گراف

کاربرد نظریه گراف

کاربردهای گراف

گراف

کاربرد های کامپیوتر در مسائل مربوط به زهکشی

رئوس مطالب مورد آزمون کنکور کارشناسی ارشد کامپیوتر

کاربرد فناوری نانو در الکترونیک و کامپیوتر

تاریخچه نظریه گرافها

سرفصل کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر