Υπολογιστές Υγρών ΑΠΟ ΤΟ 2001
"Κανονικά ένα μόριο που δεσμεύεται στην επιφάνεια ενός τρανζίστορ δεν θα είχε μεγάλη επίδραση", εξηγεί, "αλλά φανταστείτε μια πρωτεΐνη με φορτίο πάνω της να φτάνει σε κάτι πολύ μικρό, όπου η επιφάνεια είναι ένα μεγάλο συστατικό. Αυτό το φορτισμένο σώμα ανεβαίνει και αλλάζει βιολογικά ή χημικά το τρανζίστορ. Στην ουσία, μπορείτε να ανιχνεύσετε ηλεκτρικά πότε έχετε μια πρωτεΐνη, ένα νουκλεϊκό οξύ ή οτιδήποτε άλλο." Αυτό που έχετε δημιουργήσει είναι ένας αισθητήρας.. ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΦΤΑΣΕΙ ΣΗΜΕΡΑ ΟΤΑΝ ΑΥΤΑ ΕΧΟΥΝ ΣΥΜΒΕΙ ΑΠΟ ΤΟ 2001 ΠΡΙΝ 21 ΧΡΟΝΙΑ; ΣΤΗΝ ΑΛΛΑΓΗ DNA: ΣΕ ΤΙ ΑΛΛΑ;
Υπολογιστές Υγρών ΑΠΟ ΤΟ 2001
Νοέμβριος-Δεκέμβριος 2001
Φανταστείτε έναν υπολογιστή, αιωρημένο σε μια φιάλη υγρού, ο οποίος συναρμολογείται όταν το υγρό χύνεται σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή. Ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία; Ο καθηγητής Χημείας Hyman, Charles Lieber, το κάνει να συμβεί στο εργαστήριό του, όπου οι ερευνητές έχουν ήδη δημιουργήσει μικροσκοπικά λογικά κυκλώματα και μνήμη – τα δύο κύρια συστατικά ενός υπολογιστή – ακριβώς με αυτόν τον τρόπο. Και αυτά τα κυκλώματα είναι μικροσκοπικά , μόλις λίγα άτομα σε διάμετρο.
σ.σ. ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΦΤΑΣΕΙ ΣΗΜΕΡΑ ΟΤΑΝ ΑΥΤΑ ΕΧΟΥΝ ΣΥΜΒΕΙ ΑΠΟ ΤΟ 2001 ΠΡΙΝ 21 ΧΡΟΝΙΑ;
Ο Lieber και η ομάδα των χημικών του έχουν κάνει ένα είδος τελικής λειτουργίας γύρω από τη βιομηχανία μικροηλεκτρονικών με βάση το πυρίτιο, η οποία τα τελευταία 35 χρόνια κατασκευάζει τρανζίστορ – μικροσκοπικούς διακόπτες που μπορούν να είναι είτε ενεργοποιημένοι είτε απενεργοποιημένοι – εκθετικά μικρότεροι κάθε 18 έως 24 μηνών.
Ο επίτιμος πρόεδρος της Intel, Γκόρντον Μουρ, παρατήρησε αυτόν τον διπλασιασμό της υπολογιστικής ικανότητας ήδη από το 1965 και η παρατήρησή του κωδικοποιήθηκε ως «Νόμος του Μουρ». Ωστόσο, λέει ο Lieber, «η συνεχιζόμενη συρρίκνωση γίνεται τελικά προβληματική όσον αφορά τον τρόπο με τον οποίο κάποιος την επιτυγχάνει».
Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι θα φτάσουμε στα όρια της ικανότητάς μας να δημιουργήσουμε τσιπ πυριτίου χρησιμοποιώντας τυπικές μεθόδους γραμμής κατασκευής κάποια στιγμή μεταξύ 2012 και 2017.
Αυτό συμβαίνει επειδή οι κατασκευαστές σήμερα δημιουργούν μικροηλεκτρονικά κυκλώματα είτε εναποθέτοντας πυρίτιο σε μια επιφάνεια είτε χαράσσοντάς το μακριά (για παράδειγμα, με οξύ). Αλλά ακριβώς όπως το μέταλλο αφού σκουριάσει «είναι κάπως τραχύ», λέει ο Lieber, οι τρέχουσες μέθοδοι για την εργασία με πυρίτιο αφήνουν τραχιές επιφάνειες που, σε κλίμακα νανομέτρων (ένα νανόμετρο είναι το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου ή το εκατοστό χιλιοστό του πλάτους του μια ανθρώπινη τρίχα), αποτελούν όλο και μεγαλύτερο ποσοστό των μικροσκοπικών συρμάτων που αποτελούν αυτά τα κυκλώματα.
“Τελικά, δεν μπορείς να συνεχίσεις να χρησιμοποιείς αυτές τις μεθόδους”, λέει, “γιατί τα πράγματα θα είναι πολύ ανομοιόμορφα σε μικρή κλίμακα. Όσο μικρότερα γίνονται τα κυκλώματα, τόσο περισσότερες ατέλειες στη διαδικασία παραγωγής αρχίζουν να παίζουν ρόλο στην απόδοσή τους .”
Ο Lieber έχει «φιλοσοφικές διαφορές» με την προσέγγιση της βιομηχανίας «από πάνω προς τα κάτω» στη νανοτεχνολογία – να παίρνει μεγάλα πράγματα και να τα κάνει μικρότερα. «Ο τρόπος για να φέρεις αληθινά επανάσταση στο μέλλον», λέει, «είναι να ακολουθήσεις μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση: να χτίσεις τα πράγματα από κάτω προς τα πάνω». Το έχει κάνει ξεκινώντας με το μικρότερο δομικό στοιχείο — σύρματα μόνο τριών νανόμετρων που μπορούν να παραχθούν σχετικά φθηνά σε ένα πάγκο με εξοπλισμό αξίας λίγων χιλιάδων δολαρίων.
Η Lieber κατασκευάζει τα δομικά στοιχεία χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη που ευνοεί την ανάπτυξη μόνο προς μία κατεύθυνση. Ένα βασικό χαρακτηριστικό της διαδικασίας που ανέπτυξε είναι ότι επιτρέπει στα νανοσύρματα να παρασκευάζονται ουσιαστικά σε οποιαδήποτε «γεύση» (δηλαδή, με συγκεκριμένες αγώγιμες ιδιότητες).
Η ανάμειξη και η αντιστοίχιση γεύσεων μπορεί στη συνέχεια να οδηγήσει σε διαφορετικούς τύπους συσκευών. Οι συσκευές κατασκευάζονται με εξίσου απλό τρόπο: ένα διάλυμα αλκοόλης με συγκεκριμένη γεύση νανοσύρματος χύνεται μέσω ενός αυλακωτού καναλιού σε ένα πολυμερές μπλοκ για να παραχθεί μια σειρά από παράλληλα σύρματα.
Ένα άλλο σετ συρμάτων μπορεί να τοποθετηθεί κάθετα στο πρώτο απλά περιστρέφοντας τη συσκευή κατά 90 μοίρες. Ήδη, το εργαστήριό του έχει παράγει ένα τρανζίστορ πλάτους μόλις 10 ατόμων.
Η πιθανή εφαρμογή στη μικροηλεκτρονική είναι προφανής: το μικρό μέγεθος αυτών των δομικών στοιχείων επιτρέπει υψηλότερες πυκνότητες τρανζίστορ, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν, τουλάχιστον κατ’ αρχήν, σε πιο ολοκληρωμένους και ισχυρούς υπολογιστές.
Σε 10 ή 20 χρόνια (ΔΛΔ ΣΗΜΕΡΑ) μπορεί να μην υπάρχει πλέον ανάγκη για σκληρούς δίσκους, επειδή η μνήμη στερεάς κατάστασης θα μπορούσε να αποθηκεύσει τόσα πολλά δεδομένα.
Οι υπολογιστές νανοσύρματος του μέλλοντος θα είναι αρκετά διαφορετικοί από αυτούς που χρησιμοποιούμε σήμερα, επειδή θα απαιτήσουν νέα είδη αρχιτεκτονικής και λογισμικού υπολογιστών.
Τελικά, το πιο συναρπαστικό πράγμα σχετικά με τις νανοτεχνολογίες δεν είναι η απόλυτη ισχύς που θα μπορούσε να προσφέρει ένας τέτοιος υπολογιστής, λέει ο Lieber, αλλά το γεγονός ότι «λαμβάνετε θεμελιωδώς νέες ιδιότητες που δεν μπορείτε καν να φανταστείτε όταν ασχολείστε με συμβατικά υλικά μειώνοντάς τα .”
Σε πολύ μικρά αντικείμενα, για παράδειγμα, η αναλογία της επιφάνειας προς τον εσωτερικό όγκο είναι πολύ μεγαλύτερη. «Τα πράγματα που συμβαίνουν στην επιφάνεια μπορούν επομένως να επηρεάσουν ολόκληρη τη δομή», λέει ο Lieber. Ενώ ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός μπορεί να το θεωρήσει ως πρόβλημα, είναι μια ιδιότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί επωφελώς.
“Κανονικά ένα μόριο που δεσμεύεται στην επιφάνεια ενός τρανζίστορ δεν θα είχε μεγάλη επίδραση”, εξηγεί, “αλλά φανταστείτε μια πρωτεΐνη με φορτίο πάνω της να φτάνει σε κάτι πολύ μικρό, όπου η επιφάνεια είναι ένα μεγάλο συστατικό. Αυτό το φορτισμένο σώμα ανεβαίνει και αλλάζει βιολογικά ή χημικά το τρανζίστορ. Στην ουσία, μπορείτε να ανιχνεύσετε ηλεκτρικά πότε έχετε μια πρωτεΐνη, ένα νουκλεϊκό οξύ ή οτιδήποτε άλλο.” Αυτό που έχετε δημιουργήσει είναι ένας αισθητήρας.
Ως εκ τούτου, ο Lieber εργάζεται τώρα σε μια «απόδειξη της ιδέας» για το Εθνικό Ινστιτούτο Καρκίνου που θα επιδείξει τη χρήση αισθητήρων νανοσύρματος για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του προστάτη. Κατ ‘αρχήν, λέει, θα μπορούσατε να σχεδιάσετε ένα τετράγωνο τσιπ εκατοστών για να ανιχνεύσετε ένα δισεκατομμύριο πράγματα ταυτόχρονα, ακόμη και παραλλαγές στο DNA ενός ατόμου. Ένας προπτυχιακός φοιτητής του προχωρά αυτή την ιδέα ακόμη παραπέρα και εργάζεται για να δημιουργήσει μια διεπαφή βιολογικών υπολογιστών.
Μια άλλη ασυνήθιστη ιδιότητα των νανοσυρμάτων του Lieber είναι η βαλλιστική αγωγιμότητα–δηλαδή, όταν εισάγετε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα τέτοιο σύστημα, ταξιδεύει μέσω του αγωγού χωρίς να χάνει ενέργεια. Αυτή η ιδιότητα θα μπορούσε να βοηθήσει στη μείωση της θέρμανσης που συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από τα κανονικά καλώδια – ένα σοβαρό πρόβλημα στα εξαιρετικά ενσωματωμένα ηλεκτρονικά.
Ένας από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Lieber έχει συνδυάσει νανοσύρματα για να δημιουργήσει πηγές φωτός και ανιχνευτές. Αυτό θα επέτρεπε στα οπτικά κυκλώματα – “το φως είναι πάντα πολύ πιο γρήγορο από τα ηλεκτρόνια”, λέει ο Lieber – να ενσωματωθούν σε έναν υπολογιστή που βασίζεται σε νανοσύρματα. “Ποιός ξέρει?” αυτος λεει. “Αυτός μπορεί να είναι ένας τρόπος για να ενεργοποιηθεί η έννοια του κβαντικού υπολογισμού.”
Στους κλασικούς υπολογιστές, τα τρανζίστορ ή τα bit πρέπει να είναι είτε ενεργοποιημένα είτε απενεργοποιημένα, ρυθμισμένα στο ένα ή στο μηδέν. Αλλά σε έναν κβαντικό υπολογιστή, τα bit είναι ταυτόχρονα και ένα και μηδέν. Αυτό ονομάζεται υπέρθεση. Το φως εμφανίζει αυτή την ιδιότητα με την έννοια ότι είναι και κύμα και σωματίδιο: είναι ένα κύμα ή είδος υπέρθεσης, μέχρι να ανιχνευθεί. εκείνη τη στιγμή, γίνεται ένα σωματίδιο, ένα μόνο φωτόνιο σε ένα μόνο μέρος.
Η υπέρθεση θεωρητικά επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να επιλύουν πολύπλοκους αλγόριθμους (όπως αυτούς που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογραφία) που θα ήταν αδύνατο να αντιμετωπίσει ένας συμβατικός υπολογιστής. Η ώρα μπορεί να είναι ώριμη για ένα νέο μότο: Σκέψου μικρά. Πραγματικά μικρό.
~ Τζόναθαν Σο
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου