سیلیکون به پایان خط نزدیک می شود؛ اما چه کسی دنیای فناوری را نجات می دهد؟

بدون طلا می شود زندگی کرد، بدون الماس هم می شود، اما قطعاً بدون سیلیکون نمی شود. اگر تمام تاریخ را جستجو کنیم، کمتر ماده ای پیدا می شود که به اندازه سیلیکون، جهان ما را به خود وابسته کرده باشد. امروز تقریباً هرچیزی که ما استفاده می کنیم، از موبایل و لپ تاپ گرفته تا تلویزیون و حتی اسباب بازی های کودکانه، دارای مدارهای کامپیوتری هستند که از ترانزیستورهای سیلیکونی ساخته شده اند.

خوشبختانه این ماده بر پایه سیلیسیم است که یکی از فراوان ترین عناصر جهان به حساب می آید. سیلیکون در اتمسفر زمین، آب های معدنی، گیاهان، بدن انسان و حیوانات و حتی داخل شن و ماسه و سنگ های زمین هم به وفور پیدا می شود، پس ظاهراً نباید جای هیچ نگرانی وجود داشته باشد. اما متاسفانه اینطور نیست و مشکلی وجود دارد که باعث شده تولید کنندگان حوزه کامپیوتر، به شدت دنبال جایگزین کردن ترانزیستورهای سیلیکونی باشند.

حتی اینتل که خودش یکی از پایه گذاران تولید چیپ های ترانزیستوری در دنیای کامپیوتر به حساب می آید هم هزینه زیادی صرف می کند تا قبل از اینکه دیر شود، سیلیکون را با ماده دیگری جایگزین کند. اما چرا ماده ای که تا این حد سودمند است و دنیای مدرن امروز ما را شکل داده به خط پایان رسیده و باید به فکر خداحافظی باشد؟ اگر به دنبال جواب هستید، اول باید با قانون مور آشنا شوید.

قانون مور چه می گوید

این نظریه اولین بار در سال ۱۹۶۵ توسط یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل به نام گوردون مور در نشریه الکترونیکس چاپ شد. قانون مور به طور خلاصه می گوید تعداد ترانزیستورهای سیلیکونی موجود در یک چیپ کامپیوتری، هر سال دو برابر بیشتر می شود یا در حقیقت هزینه تولید به نصف کاهش پیدا می کند. به همین دلیل است که هر سال موبایل ها و کامپیوترها از مدل های سال قبل قوی تر می شوند و ۵۰ سال است که تولید کنندگان با همین روش، کاربران را به خرید مدل های جدید خود ترغیب می کنند.

اما با گذشت نیم قرن، صنعت تولید ترانزیستورها به نهایت بلوغ و پیشرفت خود رسیده و حالا دیگر دو برابر کردن تعداد ترانزیستورها اصلاً به سادگی قبل نیست. چند وقتی می شود که تعداد ترانزیستورها به جای هر ۱۲ ماه، در بازه های ۱۸ ماهه دو برابر می شوند و هرچه جلوتر می رویم این رویه کندتر نیز می شود.

دومین عصر کامپیوتر آغاز می شود

در اینکه ابزارهای آینده باید سریع و قوی تر از محصولات امروزی باشند تردیدی وجود ندارد، اما متاسفانه قانون مور دیگر به خوبی قبل کار نمی کند و سیلیکون نمی تواند به سادگی گذشته ساخت ابزارهایی بهتر را ممکن کند.

چیپ های سیلیکونی حداکثر تا ۲ دهه دیگر کارایی دارند

بر اساس تخمین ها تولید کنندگان حوزه فناوری تا سال ۲۰۲۵ می توانند با همین رویه فعلی به تولید و عرضه محصولات جدید ادامه دهند. سیلیکون نیز حداقل تا سال ۲۰۴۰ به سلطه ی خود بر بازار کامپیوتر ادامه می دهد، اما بعد از آن اصلاً گزینه جذابی برای ساخت محصولات کامپیوتری به حساب نمی آید و باید بازنشسته شود.

حتی مشهورترین پیشگو هم نمی تواند بگوید ۲۰ سال دیگر در دنیای فناوری دقیقاً چه اتفاقی رخ می دهد، اما بالاخره زمان خداحافظی با سیلیکون فرا می رسد و گزینه دیگری جایگزین می شود. زمانی که این اتفاق رخ دهد، با کنار گذاشتن سیلیکون دنیای فناوری شکل تازه ای به خود می گیرد و دومین عصر کامپیوترها آغاز می شود. در این مطلب مروری داریم بر روش های جایگزین احتمالی که در آینده تاثیر زیادی روی زندگی کاربران دارند و جهان پیرامون ما را شکل می دهند.

رایانش سرد یا Cold Computing

برخی محققین اعتقاد دارند با رایانش سرد می توان محدودیت های سیلیکون را دور زد و ضمن مصرف انرژی کمتر، به قدرت پردازش بالاتری رسید. در حال حاضر برخی از مراکز داده و اَبَر کامپیوترهای فعلی هم از روش کاهش دما برای افزایش کارایی و پایین آوردن هزینه ها استفاده می کنند. برای مثال می توان به پروژه ناتیک اشاره کرد که یکی مراکز داده مایکروسافت به حساب می آید و در اعماق آب های اسکاتلند تعبیه شده است.

در روش رایانش سرد دمای سیستم می تواند با کمک نیتروژن مایع تا منفی ۲۷۰ درجه کاهش پیدا کند. نیتروژن هم مثل سیلیکون یکی از عناصر فراوان در جهان به حساب می آید و به این زودی ها تمام نمی شود، پس می توان با خیال راحت سالها و سالها برای استفاده از آن برنامه ریزی کرد.

نیمه هادی های مرکب

سیلیکون به این دلیل برای ساخت کامپیوتر انتخاب شده که یک عنصر نیمه هادی عالی به حساب می آید و می تواند پالس های الکتریکی مورد نیاز برای رایانش را انتقال دهد. اما حالا که تولید کنندگان نمی توانند با دو برابر کردن تعداد ترانزیستورهای سیلیکونی قدرت کامپیوترها را افزایش دهند، نیمه هادی مرکب را خلق کرده اند.

نسل پنجم فناوری مخابراتی به لطف نیمه هادی های مرکب ممکن می شود

این نیمه هادی های جدید از ترکیب دو عنصر جدول تناوبی ساخته شده اند و از گزینه های امروزی مثل سیلیکون، بهینه تر عمل می کنند. مثلاً از ترکیب عنصر نیتروژن با گالیوم، ترکیبی به نام نیترید گالیم به دست می آید که در انتقال داده ها تاخیر کمتری دارد و آلودگی کمتری هم در محیط زیست ایجاد می کند.

نیمه هادی های مرکب گزینه اصلی برای تولید اتومبیل های خودران آینده یا محصولات مجهز به فناوری مخابراتی 5G به حساب می آیند. وقتی استفاده از این ترکیب در اولین محصولات محقق شود، می توان امیدوار بود با پیشرفت بیشتر به زودی نیمه هادی های مرکب برای ساخت کامپیوترهای سریعتر آینده هم مورد استفاده قرار گیرند.

رایانش کوانتومی

طبق تعریف ویکی پدیا، رایانه کوانتومی ماشینی است که برای انجام محاسباتش به جای ترانزیستورهای امروزی، از پدیده ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) استفاده می کند. اینکه غول هایی مثل گوگل، اینتل و IBM به دنبال ممکن کردن رایانش کوانتومی هستند نشان می دهد این روش پتانسیل زیادی دارد، اما هنوز راه بسیار زیادی باقی مانده تا پردازش های ترانزیستوری با کیوبیت ها جایگزین شوند. اگر رایانش کوانتومی به واقعیت تبدیل شود، بسیاری از محدودیت های فعلی رفع می شوند، اما کار زیادی باید انجام شود تا چنین رویایی محقق گردد.

گرافین و نانولوله های کربنی

این روزها نام گرافین و نانولوله های کربنی را زیاد می شنویم. این دو ماده خواص گرمایی، الکتریکی و مکانیکی ویژه ای دارند که باعث شده از آنها به عنوان ماده جادویی یاد شود. البته فعلاً فقط در همین حد می دانیم که گرافین و نانو لوله های کربنی به دلیل خواص ویژه ای که دارند، می توانند کاربردهای بسیاری داشته باشند و آینده ما را متحول کنند. مثلاً فیلترهای ساخته شده از گرافین به شما امکان می دهند با شیرین کردن آب دریا، به راحتی مشکل کمبود آب کشورهایی مثل ایران را برطرف کنید.

اما استفاده از چنین روش هایی هم مثل رایانش کوانتومی هنوز در مراحل اولیه تحقیق و توسعه قرار دارد و مدتی طول می کشد که برای استفاده در محصولات روزمره ای مثل موبایل یا کامپیوتر آماده شود.

اتم ها

بشر تا امروز از انرژی اتم ها بهره زیادی برده است، از تولید برق برای آبادانی گرفته تا ساخت بمب برای ویرانی شهرها. محققین وقتی دیدند اتم ها اینهمه کارایی دارند، با خود گفتند چرا از پتانسیل آنها در دنیای فناوری استفاده نکنیم. مثلاً IBM روی این موضوع کار کرده که از اتم ها به عنوان حافظه برای ثبت اطلاعات استفاده کند. این شرکت همین امروز می تواند با استفاده از ۱۰۰ هزار اتم، اعداد ۰ یا ۱ را به شکل باینری ذخیره کند و کدهای باینری هم مبنای محاسبات کامپیوتری هستند.

تا اینجای کار مشخص شده که اتم ها برای انجام محاسبات کامپیوتری کارایی دارند، فقط مشکل اینجاست که ذات اتم بسیار ناپایدار است و این موضوع کنترل کردن آن را بسیار دشوار می کند. مثلاً تصور کنید که با استفاده از اتم ها یک کد باینری را اجرا کنید و به مشکل بخورید، در این حالت پیدا کردن سرچشمه مشکل بسیار دشوار است. در حال حاضر حتی به سختی می توانیم تشخیص دهیم کجای کار اشتباه انجام شده و نتیجه را خراب کرده است.

غول ها در جستجوی پاسخ

هر کدام از روش های مطرح شده در این مطلب مزیت ها و معایب خود را دارند و باید کار زیادی روی آنها انجام شود تا به اندازه کافی برای جایگزین شدن با سیلیکون آماده شوند. البته هرکدام از مباحث مطرح شده بسیار مفصل و پیچیده هستند و پرداخت کامل به آنها از حوصله مقاله ای در این اندازه خارج است.

بر همین اساس توصیه می کنیم خودتان در مورد هرکدام از آنها که جالب تر می دانید مطالعه بیشتری داشته باشید، برای شروع هم می توانید از لینک های ویکی پدیا که در همین مقاله وجود دارد شروع کنید. البته مراقب باشید چند ساعت بعد از صفحه مسابقات جهانی زیبایی گربه ها سر در نیاورده باشید!

در هر حال چیزی که قطعی است اینکه سیلیکون به خط پایان نزدیک می شود و روزی که بهترین جایگزین کشف شود شرکتی برنده می شود که زودتر از دیگران جستجو را آغاز کرده باشد. به نظر شما محققین ایرانی اگر بخواهند در آینده دنیای فناوری جایی داشته باشند، امروز باید مشغول تحقیق روی کدام یک از گزینه های احتمالی باشند؟