Των Ματθαίου Ισούκη*
Δημήτρη Παυλόπουλου**
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ
Εισαγωγή
Νανοτεχνολογία ( nanotechnology ) είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη δημιουργία και χρήση λειτουργικών δομών μεγέθους μεταξύ 1 και 100 νανομέτρων ( nm ), της τάξεως δηλαδή του μέτρων. Οι διαστάσεις γίνονται ευκολότερα αντιληπτές αναφέροντας πως ένα νανόμετρο ισούται περίπου με το 1/100000 μιας ανθρώπινης τρίχας ή με το μήκος 10 ατόμων υδρογόνων σε σειρά.
Κατά παρόμοιο τρόπο ορίζεται και ο όρος νανοεπιστήμη ( nanoscience ) αναφερόμενος σε επιστήμες οι οποίες μελετούν φαινόμενα στην κλίμακα αυτή.
Αν και το πεδίο της νανοτεχνολογίας μόλις πρόσφατα άρχισε να αναπτύσσεται ουσιαστικά, οι δυνατότητες της είχαν αρχίσει να γίνονται ήδη εμφανείς από την εποχή που ο φυσικός RichardFeynman έδωσε το λόγο με τίτλο “There’s Plentyof RoomattheBottom”, μιλώντας για τα μεγάλα περιθώρια που αφήνουν οι νόμοι τις φύσης για τον έλεγχο της ύλης σε ατομικό επίπεδο.
Στη μέχρι τώρα ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας σημαντικό ρόλο έπαιξε η βελτίωση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, ενώ σταθμοί μπορούν να θεωρηθούν οι ανακαλύψεις δομών άνθρακα σε μορφή σφαίρας γνωστές ως φουλερένια (buckministerfullerenes ή fullerenes ή buckyballs ) καθώς και σε μορφή σωλήνα γνωστές ως νανοσωλήνες άνθρακα ( carbonnanotubes ) με ιδιαίτερες ιδιότητες το καθένα.
Ο όρος νανοτεχνολογία είναι πολύ γενικός για να περιγράψει οτιδήποτε συμβαίνει στις διαστάσεις του νανομέτρου. Κατά συνέπεια, μπορεί να χωρισθεί σε πιο ειδικά θέματα όπως αυτό της νανοηλεκτρονικής, των νανοϋλικών και άλλων.
Οι εφαρμογές της είναι αναρίθμητες, ενώ οι επιπτώσεις της γίνονται αντιληπτές σε πολλαπλά επίπεδα. Κατά κύριο λόγο στον οικονομικό τομέα επηρεάζοντας παγκόσμιες βιομηχανίες και οικονομίες, αλλά και στο κοινωνικό βελτιώνοντας το επίπεδο ζωής μας.
Δε θα πρέπει ωστόσο να φανταστεί κάποιος πως η νανοτεχνολογία πρόκειται για επιστημονική επανάσταση. Τα περισσότερα θέματα όπου αυτή περικλείει προκύπτουν σαν συνέπεια της εξελικτικής ικανότητας της επιστήμης και της τεχνολογίας να ερευνά και να εργάζεται σε όλο και μικρότερη κλίμακα. Εξάλλου, ολόκληρα επιστημονικά πεδία όπως η χημεία ή η βιολογία ανέκαθεν δούλευαν σε τέτοιες διαστάσεις παρόλο που ο όρος νανοεπιστήμη εισήχθη μόλις πρόσφατα.
Ιστορική αναδρομή
Η επιστήμη στις αρχές του 20ου αιώνα ασχολούνταν κυρίως με τα άτομα και τα στοιχειώδη σωμάτια, με τη θεμελίωση της κβαντικής θεωρίας και αργότερα με την πυρηνική σχάση. Μετά τον Β’ Παγκόσμιο πόλεμο η επικρατέστερη επιστημονική δραστηριότητα ήταν η πυρηνική φυσική και σαν επέκταση οι ενοποιημένες θεωρίες για την προέλευση του σύμπαντος, δραστηριότητες που και σήμερα είναι στην πρώτη γραμμή του ενδιαφέροντος.
Προς το τέλος του 20ου και αρχές του 21ου αιώνα επιστήμες όπως η βιολογία / βιοτεχνολογία έχουν την προτεραιότητα στον επιστημονικό κόσμο λόγω των άμεσων επιδράσεων στον ίδιο το άνθρωπο. Παράλληλα η χημεία, κυρίως, αλλά και η επιστήμη των υλικών συνέθεταν νέες ενώσεις χρησιμοποιώντας μεμονωμένα άτομα / μόρια και φαινόμενα όπως η κατάλυση – η επιτάχυνση ή επιβράδυνση μιας χημικής διεργασίας με την παρουσία τρίτου παράγοντα (καταλύτη) που δεν συμμετέχει στην αντίδραση – ήτανε γνωστά. Όμως η μελέτη ομάδων ατόμων δεν είχε γίνει αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας σε σύγκριση με τη μελέτη των ατόμων η των στερεών.
Η επιστημονική κοινότητα δέχτηκε ένα ισχυρό σοκ όταν το 1959 ο καθηγητής φυσικής Richard Feynman, στηδιάλεξήτουμεθέμα: “There’s plenty of room at the bottom” προκάλεσε την επιστημονική κοινότητα λέγοντας «Whycannotwewritethe entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?», και προέβει σε υποδείξεις πώς να επιτευχθεί η εγγραφή καθώς και άλλες εφαρμογές που βασίζονται στην τακτοποίηση ατόμων η μορίων διαστάσεων μερικών νανομέτρων!
Από πολλούς θεωρείται ότι με την ομιλία αυτή έγινε η γέννηση ενός καινούργιου κλάδου της Νανοεπιστήμης. Ωστόσο η ιδέα για την κατασκευή υλικών σε διαστάσεις νανοκλίμακας αν και δεν ήταν νέα άρχισε να αποκτά ενδιαφέρων μετά από την έκδοση των νόμων του Moore.
Το 1965 ο πρώτος νόμος αναφερόταν στο ότι η ποσότητα των τρανζίστορ που περιέχονται σ’ έναν επεξεργαστή θα διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο χρόνια. Ο δεύτερος νόμος έκανε λόγο για συρρίκνωση (σμίκρυνση) των κυκλωμάτων και προέβλεπε ότι αυτά, με την πάροδο του χρόνου, θα μικραίνουν όλο και περισσότερο στο μέγεθος. Η πρόβλεψη αυτή επιβεβαιώθηκε από τις εξελίξεις σε μεγαλύτερο βαθμό από την πρώτη. Το μέγεθος τόσο των κυκλωμάτων όσο και των τρανζίστορ υποτετραπλασιαζόταν κάθε τρία περίπου χρόνια.
Tο 1971 (15 Νοεμβρίου) κατασκευάζεται ο πρώτος 4bit μικροεπεξεργαστής (4004) από τον Marcian E. Holl για την Intel, ο οποίος περιέχει 2300 τρανζίστορ.
Έχει την δυνατότητα 60000 συνδυασμών το δευτερόλεπτο και συχνότητα 108 ΚHz.
Από το 1972 και μετά οι υπολογιστές που φτιάχνονται ονομάζονται 4ης γενιάς και βασίζονται στην LSI (LargeScaleIntergration) μέθοδο κυκλωμάτων, τυπικά περιέχουν 500 ή περισσότερα εξαρτήματα σ’ ένα chip. Μετέπειτα εξελίξεις περιλαμβάνουν την VLSI (VeryLargeScaleIntergration) κυκλωμάτων που περιέχουν τυπικά 10000 εξαρτήματα σ’ ένα chip. Σήμερα τα μοντέρνα κυκλώματα μπορεί να περιέχουν εκατομμύρια εξαρτήματα.
Το 1976 κατασκευάζεται ο Gray 1, ο πρώτος σούπερ υπολογιστής με 200000 ολοκληρωμένα κυκλώματα και δυνατότητα εκτέλεσης 150 εκατομμυρίων λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο.
Το 1978 (8 Ιουνίου) παρουσιάζεται από την Intel ένας 16bit μικροεπεξεργαστής (8086) που περιείχε 29000 τρανζίστορ.
Τον Φεβρουάριο του 1982 δίνεται στην αγορά το πρώτο 80286, το οποίο υποστηρίζει κυκλικές συχνότητες ως και 20 MHz εισάγοντας έναν νέο τρόπο λειτουργίας, επιτρέποντας πρόσβαση σε παραπάνω μνήμη (μέχρι 16ΜΒ) σε αντίθεση με το 1ΜΒ του 8086. Η γρηγορότερη του έκδοση έτρεχε στα 12.5 ΜHz και περιείχε 134000 τρανζίστορ.
Τον Οκτώβριο του 1985 κυκλοφορεί ο 80386DX ο οποίος υποστηρίζει συχνότητα ρολογιού μέχρι και 33 ΜΗz. Η ταχύτερη του έκδοση λειτουργούσε στα 20 ΜΗz και περιείχε 275000 τρανζίστορ.
Δέκα χρόνια μετά την, 1 Νοεμβρίου 1995, κυκλοφορεί το PentiumPro. Στην παρουσίαση του έφτασε τα 200 MHz. Το PentiumPro περιέχει 4.4 εκατομμύρια τρανζίστορ, αυτό είναι σχεδόν 2400 φορές περισσότερο από τον πρώτο μικροϋπολογιστή, τον 4004, και 70000 φορές περισσότερο όσον αφορά στις οδηγίες ανά δευτερόλεπτο.
Στης 4 Ιανουαρίου του 1996 η Intel κυκλοφόρησε τις εκδόσεις Pentium των 150 ΜΗz και 166 ΜΗz, οι οποίοι εμπεριέχουν πάνω από 3.3 εκατομμύρια τρανζίστορ. Τρία χρόνια αργότερα, στης 22 Φεβρουαρίου 1999, η AMD κυκλοφορεί τον επεξεργαστή Κ6-ΙΙΙ στην έκδοση των 400 MHz, ο οποίος περιέχει περίπου 23 εκατομμύρια τρανζίστορ.
Τον Ιανουάριο του 2004 ερευνητές της Intel σε μία μελέτη τους με τίτλο ‘’Limits to Binary Logic Switch Scaling – A.Gedanken” προβλέπουν ότι ο νόμος]του ιδρυτή και επίτιμου πλέον προέδρου Moore έχει όρια. Παρ’ όλα αυτά όμως τον Ιούνιο του ίδιου έτους η μελέτη των μηχανικών της Intel ανατρέπεται καθώς η εταιρία NEC παρουσίασε στο Τόκιο το μικρότερο τρανζίστορ στον κόσμο με πύλη μεγέθους 5nm (νανόμετρα).
Τον επόμενο χρόνο (Φεβρουάριο 2005) είχαν ήδη αρχίσει να κατασκευάζονται chips με μέγεθος 90 νανόμετρα, τα οποία έχουν διακόπτες με πύλες μεγέθους 37 νανομέτρων.
Τον Δεκέμβριο του 2005 οι επιστήμονες έδωσαν και πάλι ημερομηνία λήξης στον νόμο του Moore κάπου ανάμεσα στο 2015 και το 2021 βάση των προβλέψεών τους για τις επόμενες δεκαετίες.
Στο μέλλον από τις μέχρι σήμερα επιστημονικές αναφορές και τα εργαστηριακά επιτεύγματα που έχουν προκύψει, οι σημαντικότερες αλλαγές που θα επιφέρει η νανοτεχνολογία και η νανοηλεκτρονική στην πληροφορική είναι οι ακόλουθες:
– Το πυρίτιο στα τρανζίστορ θα αντικατασταθεί από νανοσωλήνες άνθρακα, ενώ κάθε τρανζίστορ θα περιέχει ένα και μόνο ένα ηλεκτρόνιο.
-Ημαγνητικήμνήμη MRAM (Magnetic Random Access Memory) θα κάνει την εμφάνισή της και θα μπορεί να αποθηκεύει και να διατηρεί μαγνητικά τα δεδομένα.
-Μία νέα τεχνολογία, τα spintronics (σπειροειδής – στροφονική ηλεκτρονική), θα αναδυθεί και θα αντικαταστήσει την ηλεκτρονική.
-Θα αναπτυχθούν κβαντικοί και μοριακοί υπολογιστές που θα επεξεργάζονται δεδομένα στο επίπεδο των κβάντων και των μορίων, αντίστοιχα.
Έτσι, θα δημιουργηθούν ασύγκριτα μικρότεροι, ταχύτεροι υπολογιστές, με μεγαλύτερες επιδόσεις, τεράστιες αποθηκευτικές δυνατότητες και με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας με σκοπό την προσαρμογή τους τόσο στις οικιακές όσο και στις βιομηχανικές μας ανάγκες.
Σημείωση: το παρόν είναι το πρώτο από σειρά άρθρων για την νανοτεχνολογία που θα ακολουθήσει η δημοσίευση τους.
*Ματθαίος Ισούκης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός. Απόφοιτος Πανεπιστημίου Sheffield Αγγλίας. Τέως στέλεχος Πολυεθνικής Εταιρείας.
**Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ
