فناوری نانو چگونه طراحی و ساخت کامپیوترها را تغییر می‌دهد؟

فناوری نانو تغییرات زیادی در صنایع ایجاد کرده و به رشد خود در صنعت کامپیوتر ادامه می‌دهد. این فناوری به علت کاهش ابعاد کامپیوترها و بهینه‌سازی آن‌ها، بیش از پیش مورد توجه فعالان قرار گرفته است.

فناوری نانو در اشیاء بسیار کوچک در دنیای تکنولوژی کاربرد دارد و می‌تواند در بسیاری از فناوری‌ها برای ساخت قطعات در ابعاد نانو مورد استفاده قرار بگیرد. این فناوری با کمک نوآوری به رشد مداوم خود ادامه می‌دهد و توسط آن می‌توان کامپیوترهای سریع‌تر، قدرتمندتر و روان‌تری را طراحی کرد. فناوری نانو می‌تواند تغییرات زیادی در دنیای کامپیوترها ایجاد کند، اما برای درک نقش مهم این فناوری باید ابتدا نگاهی به خود آن داشته باشیم.

فناوری نانو چیست؟

ایده‌های مربوط به این فناوری ابتدا توسط فیزیکدان «ریچارد فاینمن» مطرح شد. زمانی که وی در سال ۱۹۵۹ در حال صحبت در موسسه فناوری کالیفرنیا بود، فرایندی را توصیف کرد که به دانشمندان و مهندسان اجازه می‌داد تا اتم‌ها و مولکول‌ها را به صورت جداگانه کنترل و دستکاری کنند. در همین جلسه بود که فاینمن برای اولین بار از عبارت فناوری نانو استفاده کرد. با این وجود تا اوایل دهه ۸۰ میلادی، زمانی که میکروسکوپ‌ها قادر به مشاهده اتم‌ها به صورت جداگانه شدند، شاهد پیشرفتی در آن نبودیم.

در مقیاس فنی، دستیابی به فناوری نانو می‌تواند کمی سخت باشد. یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است که درک ابعاد آن نیز دشوار است. برای فهم بهتر باید بگوییم که در هر اینچ، ۲۵.۴ میلیون نانومتر وجود دارد. علاوه بر این می‌توانید فرض کنید یک سنگ مرمر استاندارد ابعادی برابر با ۱ نانومتر داشته باشد که در اینصورت، اندازه زمین تنها به ۱ متر می‌رسید.

ریچارد فاینمن اولین بار ایده‌های مربوط به فناوری نانو را مطرح کرد

فناوری نانو کوچک است و برای استفاده از آن به میکروسکوپ‌های قدرتمندی نیاز داریم تا بتوانند ساختاری واقعی از اتم‌ها در اختیار ما قرار دهند. ابزارهای مورد استفاده در این فناوری میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) نام دارند که بخش مهمی از آن را تشکیل می‌دهند.

یکی از حقایق جالب درباره تاریخچه این فناوری، استفاده فنی از آن برای هزاران سال است. در روزهای پیدایش شیشه‌های رنگی، ذرات طلا و نقره به مخلوط شیشه اضافه می‌شدند تا رنگ شیشه تغییر کند. در آن زمان اطلاعات چندانی درباره شیشه و ساختار آن نداشتیم، اما در حقیقت علاوه بر رنگ، ساختار آن را نیز تغییر می‌دادیم.

فناوری نانو چگونه در حال تغییر محاسبات است؟

با حرکت به سمت این فناوری در بخش محاسبات، ما می‌توانیم به درک بهتری از توانایی آن در این حوزه پی ببریم. نانولوله‌ کربنی یکی از فناوری‌هایی است که به توسعه ترانزیستورهای کوچکتر و سریع‌تر کمک می‌کنند. شرکت IBM در حال توسعه این ترانزیستورهای نانولوله کربنی است تا مانع از دور خارج شدن ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون شود.

بر اساس نظریه‌ها، پس از سال جاری میلادی از نظر فیزیکی نمی‌توان ترانزیستورهای سیلیکونی را بهینه‌سازی کرد. ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی جایگزینی برای آن‌ها محسوب می‌شوند و می‌توان به بهینه‌سازی آن‌ها در آینده ادامه داد.

هدف اصلی از این کار، کاهش ابعاد ترانزیستورها برای کامیپوترها است تا قانون مور رعایت شود. این قانون یا در حقیقت این پیش بینی، این موضوع را مطرح می‌کند که تعداد ترانزیستورهایی که می‌توانند در یک مدار با اندازه مشخص قرار بگیرند، هر دو سال یکبار دو برابر می‌شود. پیروی از این قانون به معنای آن است که مهندسان باید تا پایان امسال به ساختاری کوچکتر از 5 نانومتر دست پیدا کنند.

ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی قدرت کمتری نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی دارند

یکی از بزرگترین مشکلات ترانزیستورهای نانولوله کربنی این است که محققان می‌توانند آن‌ها را با ابعاد بسیار کوچکی تولید کنند، اما عملکرد آن‌ها همچنان کمتر از ترانزیستورهای سیلیکونی خواهد بود. با این حال محققان با سرعت بالایی به سمت راه حل این مشکل حرکت می‌کنند تا بتوانند بر آن غلبه کنند.

دانشمندان در دانشگاه ویسکانسین-مدیسن در حال توسعه ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی با عملکردی بالاتر از ترانزیستورهای سیلیکونی هستند. این افراد در آزمایش‌های خود به ۱.۹ برابر عملکرد بالاتر آن‌ها نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی دست پیدا کردند. اگر این فرایند قابل تکرار باشد، به یکی از بزرگترین و مهم‌ترین پیشرفت‌ها در زمینه طراحی ترانزیستور در چند دهه اخیر دست پیدا می‌کنیم که به لطف فناوری نانو است.

محققان برتر این حوزه اعتقاد دارند که ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی می‌توانند در مقایسه با ترانزیستورهای سیلیکونی تا ۵ برابر سرعت بالاتری داشته باشند و تا ۵ برابر انرژی کمتری مصرف کنند، البته در این شرایط با یک سناریوی ایده‌آل روبه‌رو می‌شویم. مشکل اصلی در استفاده از فناوری نانو در بخش محاسبات، ساخت و جداسازی ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی است.

نانوفوتونیک می‌تواند سیگنال‌های نوری با ابعاد نانو را منتقل کند

جدا کردن نانولوله‌های کربنی خالص برای استفاده در ترانزیستورها بسیار سخت است و هرگونه ناخالصی در آن‌ها می‌تواند باعث تولید یک ترانزیستور بدون استفاده شود. چنین مشکل بزرگی به همراه ابعاد بسیار کوچک نانو مشخص می‌کند که پیشرفت در این حوزه بسیار دشوار است. فناوری نانو در حوزه کامپیوتر به عنوان روشی بهتر برای انتقال اطلاعات شناخته می‌شود.

در کنار ساخت دستگاه‌های فیزیکی با ابعاد نانو، فیزیکدانان به دنبال استفاده از آن در فناوری نانوفوتونیک نیز هستند و در این زمینه تحقیق می‌کنند. نانوفوتونیک می‌تواند سیگنال‌های نوری با ابعاد نانو را برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات منتقل کند.

تمام این موارد نشان می‌دهد که فناوری نانو نقش حیاتی در حوزه علم رایانه و پیشرفت آن برعهده دارد. با افزایش توانایی‌های ما برای ساخت و نظارت بر جنبه‌های مختلف جهان در ابعاد نانو، شکی وجود ندارد که آینده محاسبات و فناوری مدرن، فناوری نانو است.