Των Ματθαίου Ισούκη*
Δημήτρη Παυλόπουλου**
1.ΝΑΝΟΗΛΕΚΡΟΝΙΚΗ
Ανάπτυξη της νανοηλεκτρονικής και καινούργιες τεχνολογίες στην πληροφορική
Η μικροηλεκτρονική τεχνολογία είναι στην βάση της ανάπτυξης όλης της αλυσίδας της τεχνολογίας της πληροφορίας και για τον λόγο αυτό αποτελεί στρατηγικό στόχο τόσο της Ευρώπης όσο και των ΗΠΑ και των χωρών της Ασίας. Η μικροηλεκτρονική σήμερα έχει πλέον μετεξελιχθεί σε νανοηλεκτρονική μια και είναι σε παραγωγή από την βιομηχανία ολοκληρωμένα κυκλώματα με ηλεκτρονικές διατάξεις διαστάσεων 100 nm.
Οι προβλέψεις αναφέρουν ότι για να συνεχισθεί η αύξηση της ταχύτητας των υπολογιστών καθώς και η χωρητικότητα των ηλεκτρονικών μνημών, με τους σημερινούς ρυθμούς, οι διαστάσεις μιας ηλεκτρονικής διάταξης δεν θα πρέπει να ξεπερνούν τα 10 nm μέχρι το έτος 2020. Την εξέλιξη αυτή δεν φαίνεται ότι υπάρχει κάποιος φυσικός νόμος που μπορεί να την εμποδίσει. Στα πλαίσια αυτά θα παρουσιάσουμε τις εξελίξεις καθώς και τα προβλήματα που πρέπει να ξεπερασθούν στην νανοηλεκτρονική για την σμίκρυνση των διαστάσεων των ηλεκτρονικών διατάξεων στα παραπάνω όρια.
Πέραν όμως των εξελίξεων στην νανοηλεκτρονική θα αναφερθούμε και στην παράλληλη ανάπτυξη που παρουσιάζει ο κλάδος των μικρο-νανοαισθητήρων. Ο κλάδος αυτός χρησιμοποιώντας κατά βάση την ίδια τεχνολογία με την νανοηλεκτρονική αναπτύσσει καινούργιες ιδέες για αίσθηση του φυσικού περιβάλλοντος, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για εφαρμογές σε ένα όλο και ευρύτερο φάσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας.
2 Η ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΤΗΣ ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ
Το 1965 ο Γκόρντον Μουρ, συνιδρυτής της Intel, διατύπωσε δύο προβλέψεις για την εξέλιξη της επεξεργαστικής ισχύος των υπολογιστών. Η πρώτη πρόβλεψη, που έμεινε στην ιστορία ως “Νόμος του Μουρ”, εκτιμούσε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα περιέχονται σ’ έναν επεξεργαστή θα διπλασιάζεται κάθε 12 μήνες.
Όπως αποδείχθηκε, η πρόβλεψη αυτή δεν ήταν σωστή. Ο ίδιος ο Μουρ αναγκάστηκε να αναθεωρήσει αρκετές φορές το χρονικό διάστημα διπλασιασμού, με τελευταία αυτή στις αρχές της δεκαετίας του ’90, όπου και κατέληξε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα μπορούν να ενσωματωθούν σ’ ένα κύκλωμα (chip) και όχι σ’ έναν επεξεργαστή, αυτή τη φορά θα διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες.
Ο Νόμος του Μουρ, αν και θα μπορούσε κανείς να του προσάψει αστοχίες, είναι σημαντικός γιατί απέδωσε και αποδίδει τη γενικότερη τάση που επικρατεί εδώ και πολλές δεκαετίες στο χώρο των υπολογιστών. Έτσι, ο πρώτος επεξεργαστής της Intel (1971) είχε μόλις 2.250 τρανζίστορ, ένας σύγχρονος υπολογιστής (2005) διαθέτει μερικές δεκάδες εκατομμύρια, ενώ εκείνοι που θα κυκλοφορήσουν σε λίγα χρόνια αναμένεται να περιέχουν περίπου ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ.
Ο Νόμος του Μουρ γενικευμένος, υπό την έννοια και τη μορφή αυξητικής τάσης, δεν περιορίστηκε στα τρανζίστορ και τους επεξεργαστές, αλλά επεκτάθηκε στη μνήμη RAM, στους σκληρούς δίσκους κ.α., όπου πράγματι οι δυνατότητες αυξάνονται διαρκώς. 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 υποτετραπλασιάζεται κάθε 3 περίπου χρόνια. Αν ο ρυθμός αυτός συνεχιστεί, που είναι και το πιθανότερο, σε μερικά χρόνια (10 – 20) τα κυκλώματα θα έχουν το πάχος ελάχιστων χιλιοστών.
Όμως η συρρίκνωση αυτή, όπως επίσης και η αύξηση των τρανζίστορ, δεν μπορούν να συνεχιστούν έπ’ άπειρον, για μια σειρά από λόγους: φυσικής, λειτουργικότητας, παραγωγικότητας, οικονομικούς και άλλους, που θέτουν το όριοπέραν του οποίου η εξέλιξη στο πλαίσιο της “νομολογίας” Μουρ δεν μπορεί να συνεχιστεί. Χαρακτηριστικό παράδειγμα το πυρίτιο, το φυσικό υλικό από το οποίο κατασκευάζονται τα τρανζίστορ. Έχει φυσικά όρια (αντοχής, συρρίκνωσης, καλής λειτουργίας κ.λπ.) τα οποία, είναι πολύ δύσκολο να ξεπεραστούν.
Η υπέρβαση της σημερινής τεχνολογίας ολοκληρωμένων τσιπ πυριτίου θα απαιτήσει συρρίκνωση των λογικών κυκλωμάτων και κυκλωμάτων μνήμης στο μέγεθος μερικών νανομέτρων. Μεγάλες διατάξεις από διασταυρούμενα νανοκαλώδια, τα οποία ονομάζονται ραβδεπαφικά δίκτυα, παρέχουν τη βάση για μία από τις καλύτερες υποψήφιες τεχνολογίες για νανοϋπολογιστές. Τα νανοκαλώδια που συγκροτούν τα ραβδεπαφικά δίκτυα είναι τόσο μικρά ώστε κατά την κατασκευή τους δημιουργούνται αναπόφευκτα ατομικές ατέλειες και ελαττώματα που διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο. Ο πλεονασμός νανοκαλωδίων στα κυκλώματα και η χρήση τεχνικών από τη θεωρία κωδικοποίησης αντισταθμίζει πολλές από τις ατέλειες αυτές.
- ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΝΣΩΜΑΤΟΜΕΝΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ
H ΙntelCorporation ανακοίνωσε ότι προτίθεται να χρησιμοποιήσει τεχνολογίες ενσωματωμένου πυριτίου για να οδηγήσει τη σύγκλιση πληροφορικής και επικοινωνιών, την επόμενη δεκαετία, δημιουργώντας τις προϋποθέσεις για ένα ψηφιακό μέλλον που θα κάνει τις ηλεκτρονικές συσκευές πιο απλές, περισσότερο προσιτές και εύκολες στη χρήση.
Στελέχη της εταιρείας, οι τεχνολογίες πυριτίου που περιλαμβάνουν λειτουργίες πληροφορικής και επικοινωνιών θα απέφεραν οφέλη που σχετίζονται με το νόμο του Moore σε τομείς, όπως οι ασύρματες και οπτικές επικοινωνίες. Απεκάλυψαν επίσης ότι η Ιntel θα επιμηκύνει το χρόνο ισχύος του Νόμου του Moore στο μέλλον, μέσω της αναβαθμισμένης έρευνας στην νανοτεχνολογία πυριτίου.
Σύμφωνα με το Νόμο του Moore, η πυκνότητα των τρανζίστορ στα ενσωματωμένα κυκλώματα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους. Επίσης το ενσωματωμένο πυρίτιο θα φέρει καινοτόμες, σύγχρονες και χαμηλού κόστους τεχνολογίες, έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένας κόσμος στον οποίο όλοι οι υπολογιστές θα επικοινωνούν, και όλες οι συσκευές που σχετίζονται με την επικοινωνία θα κάνουν υπολογιστικές πράξεις.
4 Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΣΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ
Η χρήση της νανοτεχνολογίας στα ηλεκτρονικά θα δημιουργήσει ασύγκριτα μικρότερους υπολογιστές, ταχύτατους, με τεράστιες αποθηκευτικές δυνατότητες και με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, ο τρόπος αποθήκευσης και μεταφοράς δεδομένων θα αλλάξει ριζικά. Η μνήμη θα αποκτήσει μεγαλύτερη πυκνότητα. Τα αποθηκευτικά μέσα θα διαθέτουν αποθηκευτικές δυνατότητες που θα μετριούνται σε Terabytes, η ταχύτητα πρόσβασης σε αυτά θα είναι ασύλληπτη, ενώ η διατήρηση δεδομένων δεν θα εξαρτάται αναγκαστικά από το ηλεκτρικό ρεύμα.
Παράλληλα, η μείωση του όγκου των συσκευών θα είναι κατακόρυφη . Οι οθόνες θα γίνουν τόσο λεπτές, που θα μετριούνται σε χιλιοστά, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούν να είναι και διάφανες.
5 ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΦΩΤΟΣ
Μια νέα συσκευή υπόσχεται να κάνει με τη βοήθεια του φωτός τη δουλειά που κάνουν τα τρανζίστορς στα ηλεκτρονικά σήματα. Η φτηνή και απλή κατασκευή αυτού του «φωτονικού τρανζίστορ» τοποθετεί την οπτική επεξεργασία της πληροφορίας στο κοντινό μέλλον. Οι υπολογιστές που χρησιμοποιούν το φως είναι ταχύτεροι από τις ηλεκτρονικές συσκευές. Θα είναι μάλιστα και απευθείας συμβατές με τις οπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων χωρίς να μεσολαβούν δύσχρηστες συσκευές μετατροπής ηλεκτρονικού σε φωτεινό σήμα.
Και σήμερα μερικά βήματα κατά την επεξεργασία των σημάτων γίνονται οπτικά, όπως πχ η χρήση μιας δέσμης φωτός για να διευθύνει προς νέα κατεύθυνση μια άλλη δέσμη σ’ ένα δίκτυο οπτικών ινών. Αλλά για την διεκπεραίωση πολύπλοκων διεργασιών σαν αυτές που επιτελούνται σ’ έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή χρειάζονται λογικές πύλες οι οποίες επί του παρόντος φτιάχνονται αποκλειστικά από microchips πυριτίου.
6 Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΟΔΗΓΕΙ ΣΕ ΤΑΧΥΤΕΡΑ CHIPS ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ
Χρησιμοποιώντας την μοντέρνα κβαντική φυσική, οι επιστήμονες έχουν προσδιορίσει πως μυστηριώδη σωματίδια του φωτός (περιπλεγμένα φωτόνια) θα μπορούν να συμπεριφέρονται με ένα τρόπο, που αλλάζει ριζικά τους συμβατικούς τρόμους της δημιουργίας περισσότερο ισχυρών τμημάτων των υπολογιστών.
Ο JohathanDowling, ερευνητής Φυσικός της NASA στο JPL και συνάδελφοι του από εκεί και από το Πανεπιστήμιο της Ουαλλίας ανακάλυψαν ότι ζεύγη των επονομαζόμενων πεπλεγμένων φωτονίων, ζεύγη φωτονίων που κάτω από συγκεκριμμένες συνθήκες αποτελούν ένα σύστημα, κατέχουν εσωτερικά χαρακτηριστικά που θα επιτρέψουν στους κατασκευαστές να παράγουν chips που βρίσκονται πολύ μακριά από αυτά που επιτρέπουν οι τρέχουσες τεχνολογίες.
Οι τεχνικοί χρησιμοποιούν ρεύματα φωτονίων από λέιζερ για να χαράσσουν πάνω στα τσιπ πυριτίου τα τρανζίστορς και τους ‘’δρόμους’’ μέσα από τους οποίους περνούν τα ηλεκτρικά σήματα που αντιστοιχούν στην επεξεργασία δεδομένων. Όσο πιο μικρό είναι το τρανζίστορς τόσο περισσότερα χωρούν σε ένα chip και τόσο πιο γρήγορα εργάζεται. Η μέθοδος αυτή παρασκευής chips ονομάζεται φωτολιθογραφία.
Τα περισσότερα μοντέρνα chips έχουν τρανζίστορς στο μέγεθος των 180 nm, περισσότερο από 400 φορές στενότερα από ότι η ανθρώπινη τρίχα. Αλλά οι κατασκευαστές των chip δεν θα μπορούν να τα φτιάξουν μικρότερα των 124 nm, σύμφωνα με την κύρια αρχή της οπτικής που είναι γνωστή σαν κριτήριο του Rayleigh. Έτσι τα όρια των σημερινών τεχνικών βρίσκονται σε αυτή την περιοχή μεγέθους. Θεωρητικά, αν χρησιμοποιηθούν τα πεπλεγμένα φωτόνια αντί για τα συμβατικά φωτόνια των laser, θα μπορούν να ξεπεράσουν οι τεχνικοί τα όρια των 124 nm, και να φτιαχτούν έτσι τρανζίστορς μικρότερα από 64 νανόμετρων.
Τα πεπλεγμένα αυτά φωτόνια θα μπορούν να ταξιδεύουν μαζί και να συμπεριφέρονται σαν ένα μοναδικό φωτόνιο, αντί για δύο ξεχωριστά. Αυτό οφείλεται στο ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια έχουν ως σύστημα το μισό μήκος κύματος από ότι έχουν ως ατομικά σωματίδια, μία από τις παράδοξες συνέπειες των κβαντικών νόμων.
Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής δεν επιτρέπουν, όμως, σε μια τέτοια περίπτωση να γνωρίζουμε τη διαδρομή που ακολουθεί το κάθε ξεχωριστό σωματίδιο, το οποίο μπορεί θεωρητικά να ακολουθεί οποιαδήποτε διαδρομή. Το φαινόμενο των πεπλεγμένων φωτονίων ήταν γνωστό αρκετά χρόνια, και έχει αποτέλεσμα να αλληλοεπηρεάζονται από μεγάλη απόσταση τα φωτόνια του ζεύγους, χωρίς να επιδρούν το ένα πάνω στο άλλο μέσω μιας φυσικής δύναμης. Η κβαντική μηχανική ασχολείται με τη φύση των ατομικών και υποατομικών σωματιδίων καθώς και με τα κύματα των στοιχειωδών σωματιδίων. Για παράδειγμα, οι θεωρητικοί φυσικοί της κβαντομηχανικής θεωρούν πως αναμεμιγμένα φωτόνια μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο, μια διαδικασία που ο AlbertEinstein καλούσε “στοιχειωμένη δράση από απόσταση”.
7 ΝΑΝΟΜΝΗΜΕΣ
Καθώς οι ανάγκες για αποθηκευτικό χώρο στις μικρομεσαίες αλλά και στις μεγαλύτερες επιχειρήσεις συνεχώς πολλαπλασιάζονται, οι σκληροί δίσκοι σύντομα θα πάψουν να αποτελούν ικανή λύση για την κάλυψη του συνόλου των αυξανόμενων αυτών απαιτήσεων.
Πολλές επιχειρήσεις αναζητούν νέες λύσεις αποθήκευσης των πολύτιμων δεδομένων τους, καθώς διαπιστώνουν ότι η αγορά περισσότερων και μεγαλύτερων servers αλλά και σκληρών δίσκων δεν “σώζει” την κατάσταση. Συνηθέστερη μέθοδος αποθήκευσης δεδομένων (back-up) σε μικρές επιχειρήσεις είναι η απλή αντιγραφή των αρχείων σε CD και DVD, η εγγραφή τους σε σκληρούς δίσκους διακομιστών (servers) ή σε ταινίες (tapes).
Οι μέθοδοι αυτές δεν μπορούν να θεωρηθούν οικονομικές, ενώ δεν αρκούν όταν τα προς αποθήκευση δεδομένα απαιτούν πολλά Gigabytes σε χωρητικότητα.
Έτσι με την συνεχόμενη μείωση του μεγέθους των μνημών θα μπορούμε να έχουμε αποθηκευτικές συσκευές (CD, DVD, σκληροί δίσκοι, μνήμες τύπου flash) με μεγαλύτερη αποθηκευτική ικανότητα στο ίδιο μέγεθος ή και ακόμα μικρότερο.
Σημείωση: το παρόν είναι το δεύτερο 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
