مواد قطعات نانو در خدمت شبکه هاي ارتباطي آينده(2)
دورنماي آينده مخابرات نانو فوتونيک
توانايي حذف گرماي داخلي، با يک عدم توازن بزرگ در پهناي باند ورودي/خروجي بواسطه تراکم نامناسب اتصالات ورودي/خروجي(I/O)مانع دستيابي به ضرايب تقويت بالا مي گردد. زمان دسترسي زائد يک ريزپردازنده(براي ارتباط با حافظه اصلي برون تراشه اي) يکي از مشکلات اصلي در پردازشها و محاسبات با سرعت فوق العاده سريع مي باشد. قطعات نانوفوتونيک، داراي پتانسيل عرضه فناوريهاي نويني هستند که قادر خواهند بود نه تنها کارايي ارتباطات و آينده کامپيوترها را افزايش دهند بلکه در دگرگوني حوزه طراحي هاي کامپيوتر نيز مي تواند موثر واقع شود. سرعت ارسال بيت فوق بالا، حداقل زمانهاي تاخير دسترسي و اتلاف حرارتي پايين قطعات نانو فوتونيک، استقلال ظرفيت و محدوديتهاي فاصله را در فناوري فوتونيک محفوظ مي دارد.
اگرچه تک تک اتصالات محلي کوچک هستند اما طول مجموع آنها طويل بوده و سهم آنها در بروز زمانهاي تاخير در مسيرهاي حياتي و اتلاف توان حرارتي بزرگ و در حال رشد است. براي نمونه بيشتر از 50درصد توان اتصالات مداري در نقاط اتصال محلي هدر مي رود.
در حاليکه براي يک تخطي به ميزان چند ميليمتر در فاصله، بازده انرژي براي ارسال سيگنالهاي الکتريکي حدود10 پيکاژول بر بايت مي باشد، لينکهاي ارتباطي فوتونيک(مبتني بر قطعات نانو فوتونيک)قادر به انجام عمليات با آهنگ 100فمتوژول بر بايت(ضمن کاهش هزينه تا سطح100فمتوژول بر بايت) مي باشند. قابليت يگانه فوتونها براي اتصالات فوتونيکي چند طول موجي درDRAM I/O، مزيت ميزان پذيري که درچند دهه اخير صنعت نيمه رساناها به آن خو گرفته است را تداوم مي بخشد. ظهور معماريهاي چند هسته اي و تقاضاي در حال رشد براي پردازش اطلاعات جايگاه ويژه اي براي ساختارهاي نانو فوتونيک در زمينه ارتباطات داخل تراشه و بين تراشه اي پديد آورده است.
برخلاف نسلهاي قبلي فناوريهاي نوري، ساختارهاي فوتونيک درمقياس نانو امکان خلقplatformهايي با يکپارچگي بالا در ابعاد و فرايند ساخت سازگار با قطعات حافظه و منطق نانو الکترونيک را فراهم نموده اند و انتظار مي رود تاثير بسزايي بر روي مقياس سيستمهاي پردازش و ارتباطي آينده داشته باشند.
اتصال دهنده هاي نانوفوتونيک قادرند انقلابي در ارتباطات و پردازش آينده بوجود آورند و اين مهم بدون پهناي باند عالي براي اتصال دهنده ها و قابليتهاي مسيريابي طول موج بدون امپدانس الکتريکي يا محدوديتهاي کراس تاک(crosstalk) امري ناشدني است.
نانو حسگرها مورد استفاده در سيستمهاي هوشمند فراگير ميان لايه اي
هنگاميکه بسوي ابعاد نانو حرکت مي کنيم بيشتر مواد ويژگيهاي جديدي را آشکار مي سازند که مي توانند براي کاربردهاي گوناگون حسي مفيد واقع شوند. اين ويژگيهاي جالب ريشه در نسبتهاي بالاي سطح به حجم در مقياس نانو و در راستاي تغييرات در ويژگيهاي نوري زير دارند:
(انعکاس، جذب، تابش)، ضريب پخش سطحي يا حجمي، هدايت گرمايي، ظرفيت گرمايي، قدرت مکانيکي و رفتارهاي مغناطيسي.
بسياري از اين اثرات بمنظور پيشرفت تکنيکهاي آشکارسازي حساس جديد مورد بهره برداري قرار مي گيرند. يک نانو سيستم منفرد قادر خواهد بود بيشتر آناليتها را با حساسيت بالا شناسايي کند. پيش بيني مي شود در آينده نزديک، نانو حسگرها بخشي از محيط هوشمند ما را تشکيل دهند و به کمک اين نانو حسگرهاي هوشمند، اطلاعات مربوط به سلامت، زندگي و محيط ما جمع آوري و ارسال مي گردد و بدين طريقي سود سرشاري بسوي زندگي ما سرازير خواهد شد. کاربردهاي بالقوه آن عبارتند از سيستمهاي رانندگي ايمن، ساختمانهاي هوشمند و امنيت منازل، محصولات هوشمندياe-textiles، سيستمهاي توليد، حمل و نقل و عمليات نجات و ترميم در محيطهاي خصمانه. درواقع پيش بيني مي شود سيل بيشمار اين حسگرها نحوه ارتباط ما با محيط اطراف را تغيير دهند. فراواني حسگرهاي ارزان قيمت که در همه جا در دسترس هستند و پتانسيل همبستگي آنها با بيوفناوري و فناوري اطلاعات زندگي انسانها و ارتباط آنها با پيرامونشان را از بيخ و بن تغيير مي دهند.
پژوهشها در زمينه نانو حسگرها تبديل به گسترده ترين و پوياترين حوزه علم و فناوري گشته و سبب شده است پژوهشگران از حوزه هاي مختلف علوم نظير زيست شناسي،شيمي، فيزيک، بيوفن آوري، پزشکي و حوزه هاي نانو مهندسي، گرد هم آيند. اما کاربردهاي گسترده نانو حسگرها ممکن است مشکلات عديده اي در پردازش و بررسي دادهاي حسگر، وتفسير اطلاعات با روشهاي مناسب، پديد آورند.
پيکربندي مولفه هاي گوناگون درون سيستم هاي حسگر، معضل بزرگي را بوجود خواهند آورد. چالش واقعي در نانو حسگرها، ايجاد مدارهاي نانوالکترونيک و ميکروالکترونيک مجتمع در تشکيل يکplatformجهاني مي باشد. روشهاي عملي براي مجتمع نمودن مواد و قطعات ناهمسان بر روي يک لايه نياز به توسعه دارد. مواد نيمه رسانا با ابعاد نانو که بطور يکپارچه مجتمع شده اند، با گاف انرژي معکوس و ويژگيهاي اپتيکي و الکتريکي، گستره نهايي قابليتهاي نانوحسگرها را عرضه مي دارند. تحقق يک حسگر فراگير با شبکه هاي محاسباتي کم توان و خود توان ما را به دستيابي به تعداد زيادي از کاربردهاي جديد و امکان ايجاد شبکه هاي حسگر بي سيم با توان مصرفي بسيار کم قادر مي سازند. اگر چه بسياري از پيشرفتهاي مهيج نو و تازه هستند ولي مفاهيم آنها بطور گسترده مورد بحث بودند در زمان نگارش اين مقاله مهمترين اصول تئوريک در مزينه ساختار نانو پايه ريزي شده است و تجارب زيادي بدست آمده است. شکل3 برخي از حسگرها برپايه نانو مواد که توسط جامعه پژوهشگران طي سالهاي اخير ارائه شده را نشان مي دهد.
شکل5): کارآيي لينکهاي ارتباطي با جريان و ظهور قطعات نانو مقياس و سيستمها
نانو مواد براي محاسبات
پيشرفت سريع در خلق قطعات نانومتري، حد کوچک سازي را تا مرتبه هاي باورنکردني تغيير داده است و امکان ارائه ويژگيهاي جديد ناشي از جفت شدگي مولفه هاي الکترونيکي استاندارد با مواد الکترونيکي مرسوم نظير مولکولها، پروتئينهاي فعال اکسايش-کاهش، نانو بلورهاي نيمه رسانا، نانوتيوبها وحتي مواد آلي نظيرDNAرا فراهم مي سازد شکل 4. يکي از رويکردهاي جالب به منظور کوچک سازي قطعه، الکترونيک مولکولي است که از يک مولکول يا گروههاي کوچکي از مولکولها بصورت مولفه هاي قطعات الکترونيکي بهره مي جويد، با طولهايي از مرتبه 1 نانومتر، اين فناوري نويد بخش توليد نسل جديد قطعات از مرتبه نانو مي باشد. اين قطعات جديد بايد به منظور تشکيل سيستمهاي پردازش اطلاعات پيچيده با ميلياردها وحتي تريلياردها بخش، با هزينه پايين مجتمع گردند. خوشبختانه اين مولفه هاي مقياس-مولکولي را با فرايندهاي شيميايي در مقياس بزرگ مي توان توليد کرد و با اين روشهاي کم هزينه مي توان از روند افزايش نمايي قيمت محصولات نيمه رسانا جلوگيري کرد.
ممريستورها: يکي از محصولات جانبي در الکترونيک مولکولي يک عنصر الکترونيکي است که آنرا مموريستور مي نامند که نه تنها مانند يک مقاومت رفتار مي کند و بسادگي در برابر شارش جريان الکتريکي مقاومت مي کند، بلکه قابليت به يادآوردن آخرين جريان الکتريکي که تجربه کرده است را دارا مي باشد. در دنياي مدارهاي مجتمع براي بخاطر آوردن آخرين جريان عبوري، نياز به مولفه هاي زيادي هست. ويليامز(Williams)و همکارانش که ممريستور را اختراع کردند در واقع چهارمين عنصر بنياني مدار را به دنيا معرفي نمودند: ممريستور، مقاومت، خازن، القاگر.
آنها معتقدند که هر ممريستور مي تواند جايگزين 7تا12 ترانزيستور شود و حافظه اش را بدون استفاده از توان الکتريکي حفظ مي کند در مقابل ترانزيستورها دائماً نياز به توان دارند بنابراين توان زيادي به دليل نشت جريان به هدر خواهد رفت براي دهه ها تلاش براي ساخت هوش الکترونيک (به تقليد از توان محاسباتي شگفت آور مغز انسان)موفقيتهاي کمي را حاصل نموده است زيرا تاکنون در مدارها جاي ممريستور خالي بود با ترکيب ويژگيهاي ممريستورها با خازنها، القاگرها محصولات جديدي بنامهاي مماکاپازيستور مماينداکتور پديد مي آيد. تجمع پردازنده هاي پيچيده در سيناپس کورتکس انسان مي تواند تا ميزانCm2/1010 افزايش يابد، يعني 10 برابر ريزپردازنده هاي امروز.اکنون مي توان به اين فکر افتاد که در گوشيهاي موبايل در آينده با استفاده از ممريستورها ما شاهد حافظه اي کم مصرف به ميزان 50 گيگابايت باشيم.
الکترونيکDNA
نانومواد پايه کربن
ديگر نانو قطعاتي که اخيرا مورد مطالعه قرار گرفته اند شامل:
نانومغناطيس براي اسپين ترونيک، حافظه هاي تغيير فازي بر پايه نانومواد وماشينهاي سلولي با مرتبه هاي بسيار پايين بارها و جريانهاي الکتريکي.
نانومغناطيسها فرصتي براي تحقق سوئيچينگ انرژي-صفر حافظه و گيتهاي منطقي فراهم نموده اند. حافظه تغيير فاز(PCM)يکي از محتمل ترين نامزدها براي نسل بعدي حافظه هاي غير فرار، برپايه ويژگيهاي عالي سرعت بالا، حاشيه فوق حساس، پايداري خوب ومقياس پذيري بالا مي باشد. نقطه ها، سيمها و چاههاي کوانتومي نانو مقياس در ساختار نانونوري مشدد مي توانند به ميزان زياد اثرات سوئيچينگ و مدولاسيون قوي با صرف توان به ميزان ناچيز را پديد آورند. ترکيب سد کوانتومي براي الکترون با حصارهاي نانو مقياس ممکن است به عرصه هاي شگفت انگيزي در حوزه سوئيچينگ نروي ختم شود چنين سوئيچهايي با سرعتهاي خيلي بالا با فعاليت کنند که توان آن با انرژي مصرفي بر بيت سنجيده مي شود که بسيار پايينتر از رويکردهاي الکترونيکي مي باشد که اين امر موجب هوشمندي بيشتر درشبکه هاي ارتباطيOn-chipمي گردند. نيمه رساناهاي رايج قطعات فلش مموري، نيازمند ولتاژهاي نسبتا بالا براي برنامه ريزي کردن و يا پاک کردن مي باشند. (متجاوز از10 ولت)بنابراين مقدرا انرژي مورد نياز براي ذخيره سازي يک بيت اطلاعات در سلول حافظه فرار(SRAM)(حدود1ولت)کمتر از 1فمتو ژول است. اخيرا طراحيهاي سلول حافظه نانوالکترومکانيکي(NEMory)عرضه شده اند. اين نوع سلولها بسيار فشرده هستند و با ولتاژ پايين کار مي کنند(کمتراز3ولت)تا به هدف انرژي براي پاک کردن يا برنامه ريزي کردن کمتر از 1فمتو ژول دست يابيم. اين قطعه يکي ديگر از نامزدهاي قوي براي کاربردهاي حافظه غير فرار ميان لايه اي آينده مي باشد زيرا اين قطعه داراي پتانسيل کاهش انرژي برنامه ريزي يا پاک کردن به ميزان قابل توجهي مي باشد(بيشتراز100مرتبه).
محاسبات امروز با بحران انرژي فاجعه باري روبرو است که مانع پيشرفت در همه مقياسها شده است، اين مشکل از قطعات دستي و کامپيوترهاي شخصي تا ابرکامپيوترها پيشرفتهاي آينده با نيمه رساناهاي رايج قطعا به چالش کشيده خواهد شد، براي شکستن اين مانع که به ديوار توان شهرت يافته به نوآوريها و ابداعات شگرفي نياز است. در همين زمان در رابطه با عدم دقت و ناپايداري حاصله از فرآيندهاي ساخت و قطعات کوچک طراحيهاي کامپيوترهاي پايه نانومواد آينده بايد قادر باشند تا نقصها و خطاهاي زيادي را متحمل شوند. اين امر به طراحي هاي مقاوم در برابر خطا براي تجمعات خيلي بزرگ با قطعات نانومتري غير قابل اطمينان منجر مي شود. يکي از موانع براي دستيابي به تجمعات در مقياس وسيع قطعات اصلي برپايه نانومواد، سختي در تشکيل تماس بين آنها، کنترل سطوحشان، و خالص سازي آنها براي حصول اطمينان از همانندي ويژگيهاي الکتريکي و فيزيکي اين قطعات مي باشد. علاوه براين، در تمام قطعات عملي خيلي مهم است که الگويي براي ايجاد تماسهاي الکتريکي نانومقياس و پيوند دهنده ها و ساخت اتصالات اهمي با مقاومت پايين به قطعات طراحي گردد تمامي اين چالشها ما را از دستيابي سريع به کاربردهاي اين مواد به کمک فناوري امروز محروم مي سازد. بنابراين براي فايق آمدن براين مشکلات بايد به دنبال راهکارهاي جديدي باشيم.
نتيجه: يک حوزه جديد از نانومواد
چندين نوآوري براساس قطعات نانومقياس توانايي آنرا دارند که نقش بسزايي در تقويت سرعت انتقال داده در سيستمهاي ارتباطي آينده داشته باشند. در نتيجه کارآيي لينکهاي ارتباطي فشار زيادي را متحمل خواهند شد همانطور که در شکل 5نشان داده شده است. اين نمودار نقشه کارايي انرژي و آهنگ انتقال داده را با ابعاد فناوريهاي قطعات مختلف نشان مي دهد.
درگذشته قطعات نسبتا کند و حجيم بودند. صنعت نيمه رساناها کاري شگفت انگيز براي انجام دادن در مقياس قطعات الکترونيکي تا ابعاد نانو را براي ما فراهم نموده است. متاسفانه مبحث تاخير زماني پيوند دهنده ها چالشهاي بزرگي را در جهت دست يابي به مدارهاي خالص الکترونيکي که فراتر از چندين گيگاهرتز کار مي کنند ايجاد کرده است حال برعکس قطعات نوري داراي ظرفيت بالاي حمل داده مي باشند. متاسفانه مولفه هاي نوري دي الکتريک به خاطره قانون پراش محدوديت اندازه دارند بنابراين نمي توان آنها را در ابعاد قطعات الکترونيک بکار گرفت .از طرف ديگر پلاسمونيک و ظهور فناوري هاي ارتباط کوانتومي دقيقاً آنچه را که ساختارهاي فوتنيک و الکترونيک که فاقد آنها هستند را دارا مي باشند:اندازه الکترونيک و سرعت فوتونيک. در حاليکه در اين مقطع غير ممکن است زمان احتمالي توسعه و کاربرد اين نانوقطعات در سيستمهاي تجاري با مقياسهاي متفاوت را پيش بيني کرد، تلاشهاي پيگير در غلبه بر موانع در جهت رسيدن به تجمعات با گستره وسيع و هزينه هاي مقرون به صرفه نانومواد اصلي در سيستمهاي ارتباطي و درک فشارهاي محيطي آنها، انجمنهاي علمي را در دهه آينده به خود مشغول خواهد کرد.
منبع:نشريه بزرگراه رايانه- ش133
