ظرفیت «قانون مور» در حال پایان است: گرافین می‌تواند ناجی چیپ‌ها باشد؟

تبعیت از «قانون مور» یکی از چالش‌های اصلی طراحان تراشه است. ظرفیت این قانون رو به اتمام است و حال گروهی از محققان برای گسترش آن ایده استفاده از ماده اعجاب انگیز «گرافین» را مطرح کرده‌اند.

برنامه‌ریزهای شهری و ساختمان سازها چگونه مشکل مهاجرت روزافزون مردم از روستاها به شهرها را حل می‌کنند؟ راهکارهای مختلفی برای این مشکل وجود دارد. برای مثال، در گام اول می‌توان مرزهای شهر را گسترش داد تا امکان جای دادن نفرات بیشتر فراهم شود. می‌توان فاصله خانه‌ها از یکدیگر را کم کرد و تعداد خانه‌های یک و دو طبقه در هر خیابان را بیشتر کرد. سرانجام فقط یک راه حل باقی می‌ماند: استفاده از فضای افقی و ساختن آسمانخراش‌هایی که ظرفیت جای دادن صدها نفر در مساحت کمی از زمین را دارند.

طراحان چیپ با مشکل تقریباً مشابهی روبرو هستند. قانون مور (Moore's law) می‌گوید هر چند سال یکبار تعداد قطعاتی که می‌توان با هزینه کم درون یک مدار مجتمع قرار داد، دو برابر می‌شود. قدرت قانون مورد انکارناپذیر است. برای مثال، سال ۱۹۷۱، اینتل اولین ریزپردازنده تجاری دنیا به نام ۴۰۰۴ را عرضه کرد که ۲۳۰۰ ترانزیستور را درون یک چیپ جای داده بود. برای مقایسه، اپل سال ۲۰۲۱ چیپست A14 را معرفی کرد که ۱۱.۴ میلیارد ترانزیستور دارد. اگر سرعت اتومبیل‌ها با چنین نرخ سرسام آوری افزایش پیدا می‌کرد، ماشین‌های امروزی باید با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت می‌کردند!

زمانی که پای طراحی چیپ‌های نسل بعد در میان است، تراشه سازان مشابه برنامه‌ریزهای شهری، سه گزینه در مقابل خود می‌بینند: بزرگ‌تر کردن چیپ برای جای دادن قطعات بیشتر؛ کوچک کردن قطعات و کمتر کردن فاصله میان آن‌ها؛ یا، ساخت و ساز به طرف بالا. در اکثر موارد تراشه سازان گزینه دوم را انتخاب کرده‌اند؛ قطعات آنقدر کوچک شدند که حالا ابعاد برخی ترانزیستورها در حد چند ده اتم است و آنقدر نزدیک به هم قرار می‌گیرند که باید برای اندازه گیری آن‌ها از مقیاس نانومتر استفاده کرد.

ولی تا کجا می‌توان قطعات را کوچک کرد؟ بالاخره روزی می‌رسد که برای ساخت چیپ‌های نسل بعد با قدرت بیشتر باید در روش ساخت چیپ تجدید نظر کرد. بسیاری از محققان سراسر دنیا سرگرم پیدا کردن راه حلی برای این مشکل هستند، ولی یک گروه بین المللی ایده‌ای شگفت انگیز مطرح کرده است: استفاده از ماده اعجاب انگیز «گرافین» برای ساخت ترانزیستورهای جدیدی که هیچ شباهتی به نمونه‌های امروزی ندارند. (راهنمایی: آن‌ها آسمان‌خراش‌های دنیای ترانزیستور خواهند بود!)

Manoj Tripathi، محقق دانشگاه «ساسکس»، تصویری از سطحی آبی رنگ را نشان می‌دهد که موجی در حال بر هم زدن نظم آن است. در نگاه اول، به نظر می‌رسد Tripathi یک اقیانوس‌شناس است، اما او در واقع یکی از محققان دانشکده ریاضی و علوم فیزیک دانشگاه ساسکس است و روی نیمه‌رساناها، مواد دوبعدی و قطعات الکترونیکی انعطاف پذیر کار می‌کند. جدیدترین پروژه او، این سه زمینه را با هم ترکیب می‌کند.

گرافین، لایه‌ای از گرافیت است-ماده‌ای نرم که اغلب به عنوان مغز مداد استفاده می‌شود-که در آن اتم‌های کربن با آرایشی شش گوش شبیه لانه زنبور کنار هم قرار گرفته‌اند. گرافین ماده‌ای اعجاب انگیز با مصارف گوناگون بوده و با مقاومتی در حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از فولاد، از قوی‌ترین مواد دنیا به شمار می‌رود. گرافین یک ابررسانای فوق العاده نیز بوده و به جریان الکتریکی با مقاومت صفر اجازه عبور می‌دهد. گرافین یکی از بهترین فیلترهای دنیا هم است و می‌توان از آن برای نمک زدایی آب یا رنگ زدایی مایعات استفاده کرد. این‌ها چند مورد از مصارف گرافین بودند.

Tripathi می‌گوید: «یکی از مزیت‌های گرافین که کمتر در موردش صحبت شده، انعطاف‌پذیری زیاد است. منظورم از انعطاف‌پذیری این است که می‌توانید آن را خم، مچاله و یا کارهایی شبیه به این‌ها کنید.» انعطاف پذیری، خصوصیت بسیاری از مواد است، اما دلیلی که انعطاف‌پذیری گرافین را اینقدر هیجان انگیز کرده این است که وقتی چین خوردگی در سطح آن پدیدار می‌شود، جریان الکترون‌ها تغییر کرده و در نتیجه، خصوصیات الکتریکی ماده به شکل نقطه‌ای عوض می‌شود.

محققان با استفاده از تکنیکی به نام «میکروسکوپ نیروی اتمی» (Atomic force microscopy)، می‌توانند تأثیرات چین خوردگی های مختلف در سطح گرافین را اندازه گیری کنند. با بهره‌برداری از این چین خوردگی‌ها، که خصوصیات الکتریکی و مکانیکی مختلفی را تحریک می‌کنند، می‌توان ترانزیستورهایی فوق العاده کوچک از جنس گرافین ساخت.

اینجاست که مثال ساختمان‌های چند طبقه را بهتر می‌توان درک کرد. Tripathi می‌گوید: «ما دقیقاً داریم همین کار را می‌کنیم. سایز چیپ‌ها هر سال کوچکتر می‌شود، ولی مشکل جای دادن ترانزیستورها هنوز حل نشده. راهکار چیست؟ باید از محور z (همان ساختمان‌سازی چند طبقه) کمک بگیریم تا تعداد بیشتری ترانزیستور را در هر واحد مساحت جای دهیم.»

با اینکه تفاوت در ارتفاع ترانزیستورها زیر میکروسکوپ قابل مشاهده است، با چشمان غیرمسلح تشخیص دادن آن‌ها ممکن نیست و در حقیقت، ترانزیستورهای ساخته شده با این روش حدوداً ۱۰۰ برابر کوچک‌تر از ترانزیستورهای بکار رفته در یک چیپ سیلیکونی معمولی هستند.

البته فعلاً پروژه Tripathi و همکارانش در ابتدای مسیر است و هنوز با راهیابی گرافین به چیپ‌های تجاری فاصله داریم. یکی از چالش‌هایی که محققان با آن روبرو هستند، انسجام چین خوردگی‌ ها است که برای حفظ عملکرد تراشه حیاتی خواهد بود.

محققان موفق شدند با استفاده از قالب‌های الگو دار، ردیف‌هایی از موج را در گرافین ایجاد کنند، اما چالش‌های دیگری هم وجود دارد. Tripathi می‌گوید: «ایجاد چین خوردگی مشکل نیست، مشکل اصلی ایجاد چین خوردگی های منسجم است.» او می‌افزاید این چالش با همکاری محققانی از انگلستان، آمریکا، یونان و ایتالیا قابل حل شدن خواهد بود.

Tripathi با اعتماد نفس می‌گوید با این رویکرد می‌توان مسیر را برای گسترش قابل توجه قانون مور هموار کرد. محققان می‌خواهند نمونه اولیه چیپ مبتنی بر گرافین را ظرف پنج سال آینده بسازند.

مقاله‌ای درباره نتایج این تحقیق اخیراً در ژورنال ACS Nano منتشر شده است.