Άνθρακας, ο θησαυρός
Υπολογιστής από νανοσωλήνες άνθρακα είναι μηχανή από το μέλλον
Στάνφορντ, Καλιφόρνια
Εδώ και δεκαετίες, οι ηλεκτρονικοί μηχανικοί προσπαθούν να δημιουργήσουν κυκλώματα από άνθρακα, το υλικό που επέλεξε και η εξέλιξη για τους ζωντανούς οργανισμούς. Ερευνητές του Στάνφορντ προχώρησαν ένα σημαντικό βήμα μπροστά αναπτύσσοντας τον πρώτο υπολογιστή από νανοσωλήνες άνθρακα -ένα απλό σύστημα που χαρακτηρίζεται «ορόσημο» από ανεξάρτητους ειδικούς.
Η ερευνητική ομάδα στο Στάνφορντ παρουσιάζει στο περιοδικό Nature έναν υπολογιστή που περιλαμβάνει 178 τρανζίστορ από νανοσωλήνες, τρέχει το δικό του λειτουργικό σύστημα και εκτελεί απλές λειτουργίες όπως η αρίθμηση και η ταξινόμηση αριθμών.
«Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι [η δημοσίευση] θα προσελκύσει το ενδιαφέρον ερευνητών στη βιομηχανία ημιαγωγών προκειμένου να ερευνήσουν πώς αυτή η τεχνολογία μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερους, λιγότερο ενεργοβόρους επεξεργαστές την επόμενη δεκαετία» εκτιμά ο Γιαν Ράμπεϊ, κορυφαίος ειδικός του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.
«Είναι ένα βασικό ορόσημο στο δρόμο για έναν ανταγωνιστικό υπολογιστή νανοσωλήνων» συμφώνησε, μιλώντας στο περιοδικό New Scientist, ο Άαρον Φράνκλιν της IBM.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μικροσκοπικοί σωλήνες από άτομα άνθρακα· μπορεί να είναι κούφιοι, ή να περιέχουν στο εσωτερικό τους άλλους ομόκεντρους κυλίνδρους. Λόγω της ακραίας αντοχής της, αυτή η σχετικά νέα μορφή του άνθρακα χρησιμοποιείται ήδη σε περιορισμένες εφαρμογές, όπως ελαφρά εξαρτήματα για ποδήλατα. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο προσπαθούν ωστόσο να αξιοποιήσουν μια άλλη ιδιότητα των νανοσωλήνων: συμπεριφέρονται ως ημιαγωγοί, όπως το πυρίτιο των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.
Το 1998 ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία παρουσίασαν τα πρώτα τρανζίστορ από άνθρακα -διακόπτες που αλλάζουν κατάσταση από το «On» στο «Off» όταν οι νανοσωλήνες παύουν να μεταφέρουν ρεύμα και γίνονται μονωτές.
Στα χρόνια που πέρασαν, όμως, η δημιουργία μεγαλύτερων συστημάτων προσέκρουε σε δύο σημαντικά εμπόδια: πρώτον, οι νανοσωλήνες είναι τόσο μικροί ώστε δύσκολα διατάσσονται σε τέλειες, ευθείες γραμμές όπως θα έπρεπε. Οι σημερινές τεχνολογίες μπορούν να ευθυγραμμίζουν τους νανοσωλήνες σε ποσοστό 99,5%, ωστόσο το 0,5% που απομένει μπορεί να ακουμπήσει σε σημεία που δεν πρέπει και να αχρηστεύσει έτσι το κύκλωμα.
Η δεύτερη δυσκολία είναι ότι, λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων, ορισμένοι νανοσωλήνες συμπεριφέρονται σαν μεταλλικά καλώδια αντί σαν ημιαγωγοί.
Οι ερευνητές του Στάνφορντ, με επικεφαλής τους καθηγητές Σουμπχάσις Μίτρα και Φίλιπ Ουόνγκ, φαίνεται ότι κατάφεραν να επιλύσουν και τα δύο προβλήματα με δύο τρικ.
Για να ξεπεράσουν το πρόβλημα των στραβών νανοσωλήνων, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο που σχεδιάζει το κύκλωμα με τέτοιο τρόπο ώστε να λειτουργεί ακόμα και αν οι νανοσωλήνες δεν είναι ευθυγραμμισμένοι.
Για να ξεπεράσουν το πρόβλημα των «μεταλλικών νανοσωλήνων», οι ερευνητές σε πρώτη φάση απενεργοποίησαν όλους τους ημιαγώγιμους νανοσωλήνες, και στη συνέχεια διοχέτευσαν στο κύκλωμα ένα σχετικά ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα -οι προβληματικοί νανοσωλήνες θερμάνθηκαν τόσο πολύ ώστε κάηκαν και κυριολεκτικά εξαερώθηκαν.
Το κύκλωμα που προέκυψε έχει «ανοσία στις ατέλειες», διαβεβαιώνει η ερευνητική ομάδα.
Υποστηρίζει επίσης ότι ο τελικός υπολογιστής θα μπορούσε να περιλαμβάνει πολύ περισσότερα από 178 τρανζίστορ, αν είχε κατασκευαστεί σε βιομηχανική εγκατάσταση ημιαγωγών αντί στο εργαστήριο ενός πανεπιστημίου.
Στην επίδειξη του υπολογιστή, οι ερευνητές έδειξαν ότι το σύστημα μπορεί να τρέχει ένα απλό λειτουργικό σύστημα, το οποίο προσφέρει μάλιστα τη δυνατότητα πολυδιεργασίας (multitasking). Μπορεί επίσης να τρέχει το MIPS, ένα σετ εντολών που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα, αλλά και να εκτελεί οποιαδήποτε εργασία μπορούν να εκτελούν οι συμβατικοί υπολογιστές, έστω και σε πολύ μικρότερη ταχύτητα.
Εφόσον οι ηλεκτρονικοί καταφέρουν τα επόμενα χρόνια να δημιουργήσουν επεξεργαστές νανοσωλήνων με δισεκατομμύρια τρανζίστορ, ο άνθρακας θα μπορούσε να διαδεχτεί το πυρίτιο, το οποίο προβλέπεται να φτάσει σύντομα στα θεωρητικά του όρια.
Και αυτό θα παρέτεινε τη ζωή του λεγόμενου Νόμου του Μουρ, ο οποίος προβλέπει ότι η πυκνότητα των τρανζίστορ στα τσιπ διπλασιάζεται κάθε δύο περίπου χρόνια.
Στο μεταξύ, πάντως, ερευνητές σε όλο τον κόσμο πειραματίζονται με έναν άλλο υποψήφιο διάδοχο του πυριτίου, μια διαφορετική, ακόμα πιο εξωτική μορφή του άνθρακα που ονομάζεται γραφένιο.
Βαγγέλης Πρατικάκης
Η ερευνητική ομάδα στο Στάνφορντ παρουσιάζει στο περιοδικό Nature έναν υπολογιστή που περιλαμβάνει 178 τρανζίστορ από νανοσωλήνες, τρέχει το δικό του λειτουργικό σύστημα και εκτελεί απλές λειτουργίες όπως η αρίθμηση και η ταξινόμηση αριθμών.
«Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι [η δημοσίευση] θα προσελκύσει το ενδιαφέρον ερευνητών στη βιομηχανία ημιαγωγών προκειμένου να ερευνήσουν πώς αυτή η τεχνολογία μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερους, λιγότερο ενεργοβόρους επεξεργαστές την επόμενη δεκαετία» εκτιμά ο Γιαν Ράμπεϊ, κορυφαίος ειδικός του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.
«Είναι ένα βασικό ορόσημο στο δρόμο για έναν ανταγωνιστικό υπολογιστή νανοσωλήνων» συμφώνησε, μιλώντας στο περιοδικό New Scientist, ο Άαρον Φράνκλιν της IBM.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μικροσκοπικοί σωλήνες από άτομα άνθρακα· μπορεί να είναι κούφιοι, ή να περιέχουν στο εσωτερικό τους άλλους ομόκεντρους κυλίνδρους. Λόγω της ακραίας αντοχής της, αυτή η σχετικά νέα μορφή του άνθρακα χρησιμοποιείται ήδη σε περιορισμένες εφαρμογές, όπως ελαφρά εξαρτήματα για ποδήλατα. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο προσπαθούν ωστόσο να αξιοποιήσουν μια άλλη ιδιότητα των νανοσωλήνων: συμπεριφέρονται ως ημιαγωγοί, όπως το πυρίτιο των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.
Το 1998 ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία παρουσίασαν τα πρώτα τρανζίστορ από άνθρακα -διακόπτες που αλλάζουν κατάσταση από το «On» στο «Off» όταν οι νανοσωλήνες παύουν να μεταφέρουν ρεύμα και γίνονται μονωτές.
Στα χρόνια που πέρασαν, όμως, η δημιουργία μεγαλύτερων συστημάτων προσέκρουε σε δύο σημαντικά εμπόδια: πρώτον, οι νανοσωλήνες είναι τόσο μικροί ώστε δύσκολα διατάσσονται σε τέλειες, ευθείες γραμμές όπως θα έπρεπε. Οι σημερινές τεχνολογίες μπορούν να ευθυγραμμίζουν τους νανοσωλήνες σε ποσοστό 99,5%, ωστόσο το 0,5% που απομένει μπορεί να ακουμπήσει σε σημεία που δεν πρέπει και να αχρηστεύσει έτσι το κύκλωμα.
Η δεύτερη δυσκολία είναι ότι, λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων, ορισμένοι νανοσωλήνες συμπεριφέρονται σαν μεταλλικά καλώδια αντί σαν ημιαγωγοί.
Οι ερευνητές του Στάνφορντ, με επικεφαλής τους καθηγητές Σουμπχάσις Μίτρα και Φίλιπ Ουόνγκ, φαίνεται ότι κατάφεραν να επιλύσουν και τα δύο προβλήματα με δύο τρικ.
Για να ξεπεράσουν το πρόβλημα των στραβών νανοσωλήνων, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο που σχεδιάζει το κύκλωμα με τέτοιο τρόπο ώστε να λειτουργεί ακόμα και αν οι νανοσωλήνες δεν είναι ευθυγραμμισμένοι.
Για να ξεπεράσουν το πρόβλημα των «μεταλλικών νανοσωλήνων», οι ερευνητές σε πρώτη φάση απενεργοποίησαν όλους τους ημιαγώγιμους νανοσωλήνες, και στη συνέχεια διοχέτευσαν στο κύκλωμα ένα σχετικά ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα -οι προβληματικοί νανοσωλήνες θερμάνθηκαν τόσο πολύ ώστε κάηκαν και κυριολεκτικά εξαερώθηκαν.
Το κύκλωμα που προέκυψε έχει «ανοσία στις ατέλειες», διαβεβαιώνει η ερευνητική ομάδα.
Υποστηρίζει επίσης ότι ο τελικός υπολογιστής θα μπορούσε να περιλαμβάνει πολύ περισσότερα από 178 τρανζίστορ, αν είχε κατασκευαστεί σε βιομηχανική εγκατάσταση ημιαγωγών αντί στο εργαστήριο ενός πανεπιστημίου.
Στην επίδειξη του υπολογιστή, οι ερευνητές έδειξαν ότι το σύστημα μπορεί να τρέχει ένα απλό λειτουργικό σύστημα, το οποίο προσφέρει μάλιστα τη δυνατότητα πολυδιεργασίας (multitasking). Μπορεί επίσης να τρέχει το MIPS, ένα σετ εντολών που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα, αλλά και να εκτελεί οποιαδήποτε εργασία μπορούν να εκτελούν οι συμβατικοί υπολογιστές, έστω και σε πολύ μικρότερη ταχύτητα.
Εφόσον οι ηλεκτρονικοί καταφέρουν τα επόμενα χρόνια να δημιουργήσουν επεξεργαστές νανοσωλήνων με δισεκατομμύρια τρανζίστορ, ο άνθρακας θα μπορούσε να διαδεχτεί το πυρίτιο, το οποίο προβλέπεται να φτάσει σύντομα στα θεωρητικά του όρια.
Και αυτό θα παρέτεινε τη ζωή του λεγόμενου Νόμου του Μουρ, ο οποίος προβλέπει ότι η πυκνότητα των τρανζίστορ στα τσιπ διπλασιάζεται κάθε δύο περίπου χρόνια.
Στο μεταξύ, πάντως, ερευνητές σε όλο τον κόσμο πειραματίζονται με έναν άλλο υποψήφιο διάδοχο του πυριτίου, μια διαφορετική, ακόμα πιο εξωτική μορφή του άνθρακα που ονομάζεται γραφένιο.
- Apple, Samsung και IBM επενδύουν στο θαυματουργό γραφένιο
- Το γραφένιο και η προσομοίωση του εγκεφάλου κερδίζουν κονδύλια της ΕΕ
- Χημική μέθοδος φέρνει πιο κοντά τα κυκλώματα από γραφένιο
- Κυκλώματα από γραφένιο κατευθείαν από τον εκτυπωτή
Βαγγέλης Πρατικάκης
Newsroom ΔΟΛ
No comments:
Post a Comment