رویای لپتاپ و گوشی نوری به حقیقت می پیوندد

در چهار دهه گذشته صنعت الکترونیک توسط قانون مور به جلو رفته است، که البته آن یک قانون نیست و بیشتر یک قاعده کلی یا مشاهده است. با پیشرفت تکنولوژی، بسیاری از کاربران در انتظار پیدایش لپتاپ و گوشی نوری هستند اما این رویا کی محقق می شود؟

کلیک – در اصل، این قاعده اشاره می کند که سرعت و ظرفیت دستگاه های الکترونیکی هر دو سال دو برابر می شود. و در واقع شرکت های فناوری هر ساله دستگاه ها و ابزارهای سریع تر، هوشمندتر و بهتری را تولید و عرضه می کنند.
قانون مور که به طور خاص توسط یکی از موسسان شرکت اینتل یعنی گوردون مور بیان شده است، اشاره می کند که، ” تعداد ترانزیستورهای کار گذاشته شده در یک تراشه به طور تقریبی در هر ۲۴ ماه دو برابر می شود.”

ترانزیستورها که سوییچ های الکتریکی بسیار کوچکی هستند، بخش اصلی تمام دستگاه های الکتریکی موجود را تشکیل می دهند. هر چقدر آنها کوچک تر شوند سریع تر می شوند و الکتریسیته کمتری برای فعالیت خود مصرف می کنند.
یکی از بزرگ ترین پرسش های قرن ۲۱ در جهان فناوری این است که: ما تا چه اندازه می توانیم ترانزیستورها را کوچک کنیم؟
اگر در میزان کوچک شدن آنها محدودیتی وجود داشته باشد، ممکن است ما به نقطه ای برسیم که دیگر نتوانیم دستگاه های کوچک تر، قدرتمندتر و کاربردی تر را تولید کنیم. درآمد این صنعت فقط در ایالات متحده بیش از ۲۰۰ میلیارد دلار در سال است. آیا می توان رشد این صنعت را متوقف شود؟

نزدیک شدن به محدودیت
در حال حاضر، شرکت هایی مانند اینتل در حال تولید انبوه ترانزیستورهایی با قطر ۱۴ نانومتر هستند — به طوری که قطر آنها فقط ۱۴ مرتبه از مولکول های دی اِن ای بیشتر است. آنها از سیلیکون ساخته شده اند، که دومین ماده از لحاظ فراوانی در کره زمین است. اندازه اتمی سلیکون حدود ۰٫۲ نانومتر است.
قطر ترانزیستورهای امروزی حدود ۷۰ سیلیکون اتمی است، بنابراین امکان کوچک تر کردن آنها کم می شود. ما به محدودیت کوچک سازی یک ترانزیستور بسیار نزدیک شده ایم.

ترانزیستورها از سیگنال های الکتریکی — الکترون های متحرک — برای برقراری ارتباط استفاده می کنند.
اما اگر ما بتوانیم به جای الکتریسیته از نور، که از فوتون ها تشکیل شده، استفاده کنیم، حتی می توانیم ترانزیستورهای سریع تری را نیز تولید کنیم. تلاش من برای یافتن روش هایی برای تلفیق پردازش نوری با تراشه های موجود بخشی از این تلاش جدید است.

قرار دادن نور درون یک تراشه
یک ترانزیستور از سه بخش تشکیل شده است؛ این قسمت ها را همانند قسمت های یک دوربین دیجیتال در نظر بگیرید. اول، اطلاعات به درون لنز وارد می شود، که مشابه منبع ترانزیستور است.
سپس از طریق یک کانال حسگر تصویر به سیم های درون دوربین منتقل می شود. در آخر، اطلاعات بر روی کارت حافظه دوربین ذخیره می شود، که دریچه ترانزیستور نامیده می شود – جایی که اطلاعات در نهایت به پایان می رسد.
هم اکنون تمام این موارد با حرکت الکترون ها اتفاق می افتد. اگر نور به عنوان بستر جایگزین شود در واقع ما به حرکت فوتون ها نیاز خواهیم داشت.
ذرات ریزاتمی مانند الکترون ها و فوتون ها، با یک حرکت موجی پخش می شوند و در هنگام حرکت نوسان دارند. طول هر موج به ماده ای که از میان آن عبور می کنند بستگی دارد.

موثرترین طول موج برای فوتون ها در سیلیکون ۱٫۳ میکرومتر است. این قطر بسیار کوچک است – موی یک انسان حدود ۱۰۰ میکرومتر قطر دارد. اما الکترون های سیلیکون حتی کوچک تر هستند – طول موج آنها ۵۰ تا ۱۰۰۰ مرتبه کوچک تر از فوتون ها است.
این بدین معناست که تجهیزات کنترل و هدایت فوتون ها باید بزرگ تر از دستگاه های موجود کنترل الکترون ها باشند. بنابراین این گونه به نظر می رسد که ما مجبور هستیم به جای ترانزیستورهای کوچک تر ترانزیستورهای بزرگ تری بسازیم.

با این وجود، به دو دلیل ما می توانیم یا اندازه تراشه ها را حفظ کنیم و نیروی پردازش بیشتری را فرآهم کنیم و یا تراشه ها را کوچک کنیم در حالی که نیروی آن را حفظ کرده ایم، و یا به طور بالقوه هر دو را انجام دهیم.
دلیل اول این است که یک تراشه فوتونی برای این که بتواند فوتون هایی تولید کند که از طریق لنزها و آینه های بسیار کوچک به سمت تراشه هدایت شوند، به منابع نوری اندکی نیاز دارد.
و دلیل دوم این است که حرکت فوتون های نور بسیار سریع تر از الکترون ها است. به طور میانگین فوتون ها می توانند حدود ۲۰ برابر سریع تر از الکترون ها در یک تراشه حرکت کنند. این به معنای تولید کامپیوترهای ۲۰ برابر سریع تر است، به طوری که برای دستیابی به این سرعت با فناوری موجود حدود ۱۵ سال زمان لازم است.

فعالیت های دانشمندان نشان دهنده پیشرفت به سمت تراشه های فوتونی در سال های اخیر است. چالش اساسی در این زمینه اطمینان از این مسئله است که تراشه های نوری جدید بتوانند با تمام تراشه های الکتریکی موجود کار کنند.
اگر ما بتوانیم چگونگی انجام این کار را بفهمیم – یا حتی بتوانیم به چگونگی استفاده از ترانزیستورهای نوری برای ارتقای ترانزیستورهای الکترونیکی پی ببریم – بهبود عملکرد قابل توجهی را شاهد خواهیم بود.

من چه زمانی می توانم یک لپ تاپ یا گوشی هوشمند نوری داشته باشم؟
ما هنوز با زمان داشتن اولین دستگاه نوری برای مصرف کننده در بازار فاصله داریم و پیشرفت زمانبر است. اولین ترانزیستورها در سال ۱۹۰۷ با استفاده از لوله های خلاء ساخته شدند، که معمولاً بین ۱ الی ۶ اینچ طول داشتند (به طور میانگین ۱۰۰ میلی متر).
در سال ۱۹۴۷ اولین نمونه های ترانزیستورهای کنونی اختراع شدند، در صورتی که ۴۰ میکرومتر طول داشتند – نمونه های کنونی فقط ۱۴ نانومتر طول دارند و حدود ۳ هزار مرتبه از نمونه های اولیه کوچک تر هستند.

در سال ۱۹۷۱ اولین میکرو پردازشگر تجاری (منبع انرژی همه دستگاه های الکترونیکی) عرضه شد که هزار برابر از انواع کنونی بزرگ تر بود.
در مقایسه با تلاش های تحقیقاتی گسترده و سیر تکاملی قابل توجهی که در صنعت الکترونیک مشاهده می شود، صنعت فوتونیک تنها در آغاز راه قرار دارد. در نتیجه، دستگاه های الکترونیک فعلی می توانند کارهای بسیار پیچیده تری را در مقایسه بهترین دستگاه های فوتونیک کنونی انجام دهند.
اما با پیشرفت پژوهش ها ظرفیت نور به سطح سرعت های صنعت الکترونیک خواهد رسید و شاید از آن عبور کند. اما تا رسیدن به آن نقطه فاصله زیادی وجود دارد، اگرچه آینده صنعت فوتونیک روشن است.

یک دیدگاه