در ورای سیلیکون

/
/
/
0 مشاهده

در ورای سیلیکون
با توجه به این که سیلیکون در حال تغییر است، می خواهیم بررسی کنیم که بر سر کامپیوترهای آینده چه می آید.
تا جایی که اکثر افراد به یاد می آورند، دنیای الکترونیک با یک عنصر شیمیایی به نام سیلیکون، تثبیت شده است. این عنصر، هسته تمامی پردازنده ها و دستگاه های مموری را در PCها، تبلت ها، گوشی های هوشمند و … به کار برده شده اند، شکل می دهد.
اگرچه، الکترونیک مجبور نیست که از ماده های نیمه فلزی استفاده کند. اولین دستگاه های الکترونیکی از قوانین متعددی استفاده می کردند، و برخی از کارشناسان معتقد بودند که با رسیدن سیلیکون به حدود محدودیت خودش، می توان به دستاوردهای بزرگتری دست یافت و این پیشرفت ها در طول یک دهه قابل انجام می باشند. با توجه به این که نیاز ما به کارهای محاسباتی روز به روز در حال افزایش است و در حال تبدیل شدن به یک معذل بزرگ است، پس جستجو برای استفاده از یک ماده مشابه به نوعی حالتی اضطراری را به وجود آورده است.
حتی برخی از متخصصان معتقدند که ممکن است الکترونیک خودش را از بین ببرد به همین دلیل به فکر استفاده از سیستم های بیولوژیکی، شیمیایی یا نوری هستند تا از طریق آنها توانایی محاسبات مورد نیاز ما در آینده را تامین کنند. در حالی که این فقط یک احتمال است، یک نسل جدید از الکترونیک بعید نیست که به این سمت برود.
هیچ نقصی در مدعیان جانشینی سیلیکون دیده نمی شود. در حالی که برخی فناوری های رقیب از بیشتر از تکامل آن صحبت می کنند، برخی دیگر در نظریه خود بسیار تندور تر هستند، و حتی عده ای بر این باورند که سیلیکون باید از چرخه استفاده خارج شود.
ترکیب نیمه رساناها
سیلیکون یک عنصر نیمه فلز است، و اگر نیمه فلز نبود آن را شبه فلز می نامیدند و در گروه IV از جدول تناوبی عناصر قرار داشت. با این که این عنصر رسانای بسیار ضعیف الکتریکی است با این حال اگر عناصر ریز دیگری را به آن اضافه کنیم این رسانای بسیار بیشتر می شود، و به این فرآیند تغلیض (ناخالص سازی) می گویند. تغلیظ سیلیکون با یک عنصر از گروه ۳ این عنصر را به گروهی از عناصر نیمه هادی به نام p-type می برد، در حالی که اگر آن را با عنصری از گروه ۴ ترکیب کنیم، نیمه هادی از نوع n-type تولید خواهد شد. این امر زمانی جالب می شود که ملاحضه می شود که مواد نمیه هادی در گروه های n-type و p-type در چینش خاصی قرار گرفته اند و در پردازنده ها و مموریهای امروزی مورد استفاده قرار گرفته اند. نتیجه این ترکیب یک ترانزیستور است، قطعه ای که تقریباً در همه مدارهای الکتریکی موجود می باشد. سیلیکون تنها عنصری نیست که به این روش قابل استفاده باشد. عناصر متعدد دیگری که در همان ناحیه از جدول تناوبی قرار دارند دارای ویژگی های مشابه با سیلیکون هستند. مشخصاً برخی از ترانزیستورهای امروزی از جرمانیوم، که یک نیمه فلز از گروه ۴ عناصر است، ساخته شده اند.
در حالی که جرمانیوم از بسیاری از جهات پایین تر از سیلیکون قرار داشت، اکنون جستجو برای یافتن نیمه فلزات مشابهی که بتوانند از سیلیکون عملکرد بهتری داشته باشند، و حتی، شاید بتوانند ترانزیستورها را کوچکتر از قبل کنند، و در نتیجه مدارهای سیلیکونی دور انداخته شوند، همچنان ادامه دارد. یک ویژگی مفید و کمک کننده از عناصر رایج شیمیایی- بارون، سیلیکون، جرمانیوم، آرسنیک، آنتی مونی و تلوریوم- این است که به عنوان شبه فلزات شناخته می شوند، و به هر دلیلی، این عناصر دست کم گرفته می شوند. با این حال، با توجه به گفته های تحلیلگر فناوری کمپانی اینتل، آقای Rob Willoner، در آلیاژ آنها ویژگی های جالبی وجود دارد، که به وسیله ترکیبی از دو یا بیشتر از عناصر نیمه فلز ساخته شده اند.
آقای Willoner با تشریح مزایای ترکیب نیمه هادی ها شروع کرد- به ویژه، ترکیب عنصر indium gallium arsenide (InGaAs) را با سیلیکون تشریح کرد. “یک کانال- ناحیه ای بین منبع و سطح ترانزیستور- که از ترکیب نیمه هادی ها ساخته شده است بسیار پویاتر از کانال های سیلیکونی قدیمی می باشد. پویایی یک معیار برای سرعت الکترون های متحرک زمان وارد کردن یک ولتاژ خاص، می باشد.”
سیلیکون دارای پویایی الکترون های با سرعت ۱۴۰۰cm2/Vs می باشد و این سرعتی است که جایگزین مشابهی باید آن را شکست دهد. ترکیب InGaAs دارای تحرک (پویایی) الکترون ۱۰۰۰۰cm2/Vs است، در حالی که Graphene که بعداً در مورد آن صحبت خواهیم کرد، سرعتی برابر با ۱۵۰۰۰cm2/Vs دارد و برخی از دانشمندان بر این باورند که این مقدار را می توان به ۱۰۰۰۰۰cm2/Vs رساند. تحرک الکترون متناسب است با رسانایی، و ما نمی خواهیم در فیزیک یک عنصر تغییر زیادی را ایجاد کنیم، اما باید گفت که تحرک الکترون بالا شرط لازم برای هر ماده نیمه هادی جایگزین برای سیلیکون می باشد.
اما این فقط قسمتی از داستان است. طبق گفته آقای Willoner “مزیت دیگر ترکیب نیمه هادی ها این است که می توانند با نصف ولتاژ مورد نیاز برای سیلیکون کار خود را انجام دهند. این امر باعث کاهش چشمگیر مصرف انرژی در هر ترانزیستور می شود.” در حالی که برنامه نویسان به برخی از مدعیان دیگر برای جانشینی سیلیکون اعتقاد داشتند و از عملکرد فوق العاده آنها در آینده خوشحال بودند، با این حال آقای Willoner محافظه کارانه تر با این موضوع برخورد کرد و فقط گفت “ترکیب های نیمه هادی ها، ترانزیستورهای کاراتر و کم مصرف تر و در عین حال پرسرعت تری را تولید می کنند، و این امر باعث به وجود آمدن تراشه های کم مصرف تر و پرسرعت تری می شود.”
زمانی که از آقای Willoner در مورد بازه های زمانی سوال شد محکم تر پاسخ داد “گسترش دادن هر فناوری جدیدی نیازمند فرآیند تصمیم گیری پیچیده ای است، و باید فاکتورهایی مانند منفعت، ریسک و هزینه را مدنظر قرار داد”.
کربن با یک تغییر
زمانی که ما در دبیرستان بودیم، در درس های شیمی به ما آموختند که کربن دارای دو فرم است که آنها را گرافن و الماس می نامند. این واقعیت که ساختارهای مختلف مولکولی از یک عنصر می توانند اختلاف هایی زیادی باهم از نظر جزئیات داشته باشند، واضح است. برای روشن شدن این واقعیت فقط کافی است این دو ماده را با هم مقایسه کنیم. گرافن (Graphene) که ما به قلم خودمان آن را ‘Lead’ نامیده ایم، نرم و سیاه است و رسانای الکتریسیته می باشد، در حالی که الماس سخت و بی رنگ است، و هم چنین عایق می باشد. تمامی این روند در سال ۱۹۸۵، با پیوندی به نام Buckminsterfullerence، یک فرمی از کربن بود که در آن ۶۰ به صورت مولکول های تهی و کروی چیده شده بودند. از آن زمان فرم های بیشتری از کربن کشف شده اند، و برخی از این فرم ها دارای ویژگی های الکتریکی خوبی هم هستند.
گرافین را می توان به عنوان لایه ای از گرافیت در نظر گرفت که تنها دارای یک عدد اتم ضخیم می باشد و اتم ها در آن به هم وصل شده اند تا به جای یک شکل خط راست، یک الگوی شش ضلعی را شکل دهند. ویژگی های آن قابل توجه هستند. این عنصر صد برابر قوی تر از استیل است، و وزن آن با وزن استیل تقریباً برابر است. این بهترین رسانای الکتریکی است که ما می شناسیم و همان گونه که قبلاً گفتیم دارای تحرک الکترونی بالایی است، یعنی برای ساختن دستگاه های الکتریکی سریع بسیار مفید می باشد. در واقع، محققان در موسسه فناوری ماساچوست یک ترانزیستور گرافین را ساخته اند که دارای سرعت متحیر کننده ۴۲۷GHz می باشد.
تا به این جا خوب است، اما همه داستان این نیست. از لحاظ فنی، گرافین فاقد فاصله های بین ذرات است و از این لحاظ شبیه به نیمه هادی هایی مانند سیلیکون می باشد. بدی ترانزیستورهای از جنس گرافین به این است که نمی توان به طور کامل آن ها را خاموش کرد. برای برنامه های آنالوگ این ویژگی مشکل ساز نخواهد بود، اما اگر از این ترانزیستورها در مدارهای دیجیتالی استفاده شود، باعث هدر رفتن و نشت جریان می شوند و کلاً بسیار مصرف انرژی بالایی دارند.
بیشتر دستاوردهای اخیری که در پردازنده های دارای سیلیکون انجام شده است، بالا بردن کارایی آنها بوده است، پس یک فناوری که در حال بازگشت به نقص های قدیم مانند داغ کردن بیش از حد و پرمصرف بودن باشد- حتی اگر سرعت را هم افزایش دهد- از آن پشتیبانی نخواهد شد. تحقیقات برای جایگزین کردن گرافین با سیلیکون ادامه پیدا کرد اما در همین حال، دانشمندان دیگری بر روی جزئیات ماده های دیگری که از نظر ویژگی ها نسبتاً به سیلیکون نزدیک هستند، مطالعات خود را انجام دادند.
در حالی که کربن در جدول تناوبی در بالای سیلیکون قرار دارد، یک مکان در سمت راست سیلیکون هم فسفر قرار دارد. از آنجایی که عناصر نزدیک به هم دارای ویژگی های مشابهی هستند، ما انتظار داریم که این دو عنصر، یک لایه از گرافین را به صورت یک توری قفس، شکل دهند.
یک آرایش از سیلیکون به نام سیلیسن نیز کشف شده است، که ساختار مولکولی آن دقیقاً شبیه به گرافین است، در حالی که آرایشی از فسفر که فسفرین نام دارد، دو بعدی است. این مشاهدات راهنمای خوبی برای این امر هستند که راسانایی فوق العاده گرافین را به ما می دهند، اما در عوض، آن ها دارای شکاف های بین ذرات هستند که برای ساخت ترانزیستورهایی برای استفاده در مدارهای دیجیتالی امری مهم و حیاتی می باشند.
ترانزیستورهایی که از این دو عنصر ساخته می شوند دارای عملکرد خوبی هستند، اما هنوز برای نظر قطعی دادن زود است و طبیعت پرتحرک این عناصر، باعث مختل شدن این تحقیق شده است، واز این نمونه می توان به وجود اکسیژن در جو اشاره کرد. برای مثال، سیلیسن، در عرض چند دقیقه خودش را از بین می برد مگر این که در خلأ از آن استفاده شود. دانشمندان امیدوارند که اگر گرافین، سیلیکون یا فسفر برای اثبات رازهای الکتریکی آن ها مفید نباشند، آنگاه شاید Germanene، Antimonene، یا یکی از عناصر هم خوانواده آنها، بتواند در این امر به آنها کمک کند.
لوله های نانو کربنی
آرایش دیگری از کربن که اخیراً کشف شده است کربن نانولوله می باشد. یک راه خوب برای تصور کردن یک نانولوله یک تکه گرافین است که به بالا حرکت کرده و لبه های آن به همدیگر وصل شده اند تا این که یک سیلندر توخالی را شکل دهند. نانولوله ها مانند گرافین دارای ویژگی های قابل توجهی هستند، اما برای فهمیدن تمامی ویژگی ها و ساختار کامل آنها مطالعات بیشتری نیاز است.
به جای استفاده از یک نوع نانولوله کربن، تقریباً بی نهایت از آنها وجود دارد که از لحاظ طول، قطر و حتی دیواره ها با هم دیگر تفاوت دارند به گونه ای که یک اتم ضخیم است یا یک اتم از لایه های مختلفی از گرافین تشکیل شده است. عمدتاً، بسته به این که ساختار مولکولی نانولوله ها به چه شکلی باشد، می توانند همانند یک فلز رسانا باشند، یا با فاصله بین ذرات مهمی که دارند، خواص شبه فلز را داشته باشند.
نانولوله های کربن برای اولین بار ۱۵ سال پیش در یک ترانزیستور به کار رفتند، اما ساختن وسایل محاسبه گر از این ترانزیستورها بحث برانگیز است. یک مشکل اصلی در ساخت مدارهایی با استفاده از نانولوله ها، تلاش برای تولید نانولوله های نیمه هادی می باشد و این تلاش همیشه منجر به وسیله هایی می شود که دارای رسانایی کمی هستند و در مدارهای بزرگ کاربرد ندارند. با این حال، محققان دانشگاه استنفورد تکنیکی را برای سوزاندن هرکدام از این نانولوله ها گسترش داده اند و یک دستگاه محاسبه گر را که دارای ۱۷۸ ترانزیستور است، تولید کرده اند.
این را در نظر داشته باشید که کارهای بزرگ همیشه از جاهای کوچک شروع می شوند، حال به این جمله از پروفسور فیلیپ ونگ از دانشگاه استنفورد توجه کنید. “قسمت جالب ماجرا این است: در مقایسه با سیلیکون، اگر شما مداری را با استفاده از نانولوله های کربن بسازید، مدار شما از سرعت و صرفه جویی در انرژی، به صورت همزمان برخوردار خواهد بود.”
انقلاب پلاستیک
اگر شما از اکثر مردم سوال کنید که یک عایق الکتریکی را نام ببرند، احتمالاً پلاستیک در بالای لیست پاسخ ها دیده می شود، و دلیل منطقی نیز دارد. در حالی که پلاستیک یک اصطلاح عمومی برای پلیمر آلی است، اکثر آنها عایق های خوبی هستند، و حتی در بسیاری از موارد عایق بهتری از سرامیک هستند. این متحیرکننده است، و بیشتر توجهات در الکترونیک به مواد ساخته شده از پلاستیک معطوف می باشد.
یک دهه پر از سوال
مدت هاست که ما می دانیم که زمانی که از آینده کامپیوترها صحبت می شود، پیش بینی کردن امر بسیار خطرناکی است و هیچ چیز مشخص نمی باشد. در این مقاله ما در مورد بهترین فناوری هایی که اخیراً به وجود آمده اند و دانشمندان جهان برای بهبود بخشیدن به آنها تلاش می کنند، صحبت کردیم. شاید برخی از این دانشمندان به جای استفاده از سیلیکون، جایگزینی را در طی یک دهه پیدا کنند، اما هیچ تضمینی برای این اتفاق وجود ندارد. دانشمندان ممکن است هنوز هم بتوانند راه هایی را پیدا کنند که سیلیکون را بهتر از آنچه که هست، کنند یا اینکه شاید یک فناوری دیگر، که هنوز رویای آن در سر ما نیست به وجود بیاید و این عنصر را به عقب براند.
ما نمی توانیم کوچک ترین پیش بینی را انجام دهیم. متخصصان توصیه می کنند که سیلیکون بیش از یک دهه دیگر هم می تواند به جلو حرکت کند و هنوز مورد استفاده قرار گیرد. با این اوصاف، ما پیش بینی می کنیم که نسل های آینده در ۲۰۲۵ به تاریخ پا به عرصه گذاشتن فناوری الکترونیک نگاه نخواهند کرد و راه پیشرفت را پیش خواهند گرفت.

Leave a Comment

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

It is main inner container footer text