انقلابی نوین در صنعت رایانه

رایانه های فوق سریع با قابلیت استفاده در دمای اتاق

فناوری رایانه چیز چندان جدید و مهیجی نیست، اما نقاطی که امکان استفاده از آن وجود دارد محدودیت‌هایی را برای دانشمندان فراهم می‌کند که هرگونه ابداع و دستاوردی در این خصوص می‌تواند هیجان برانگیز و خبرساز باشد.

استفاده از رایانه در محیط‌های بسیار سرد و خشن از جمله این محدودیت‌ها بوده است که تاکنون دانشمندان پیشرفت‌های چشمگیری درخصوص غلبه بر این مشکل نداشته‌اند. بسیاری از منتقدان علمی ‌همواره این پرسش را مطرح می‌کنند که چرا دانش بشری همچنان در استفاده از یکی از کاربردی‌ترین یا به عبارتی کاربردی‌ترین فناوری با محدودیت‌های مکانی روبه‌روست؟ آنها این پرسش را نیز مطرح می‌کنند که چنین محدودیتی نمی‌تواند دستیابی به دیگر عرصه‌های علمی‌ و تحقیقاتی را نیز با کندی همراه کند.

این نوع انتقادها و پرسش‌های بی‌پاسخ، محرک خوبی برای گروه‌های مختلفی از دانشمندان در سراسر جهان بوده است تا با اعمال تغییراتی در ساختار رایانه‌ها، ضمن افزایش سرعت و قابلیت‌های آنها، استفاده از چنین سیستم‌های محاسباتی در محیط‌های طاقت‌فرسا نظیر نقاط بسیار سرد و خشن نیز امکان‌پذیر شود. نکته مهم این است که تحقیقات گذشته دانشمندان نشان می‌دهد طراحی و ساخت نسل مافوق تصور رایانه‌های بسیار سریع که مبتنی بر استفاده از مواد بسیار خاصی هستند، تنها در محیط‌های بسیار سردی امکان‌پذیر است که تاکنون امکان خلق چنین محیط‌هایی با استفاده از فناوری‌های فعلی وجود نداشته است.

امکان دستیابی به محیط‌های بسیار سردی که از بعد نظری مطرح می‌شود، در آزمایشگاه‌های بسیار پیشرفته جهان وجود دارد، اما این کار با ۲ مانع جدی همراه است. نخست این‌که برای خلق چنین دمایی به صرف هزینه‌های هنگفتی نیاز است و از سوی دیگر صرف چنین هزینه سرسام‌آور در کنار محدودیت مکانی استفاده از آنها، در عمل بهره گرفتن از چنین دمایی برای انجام محاسبات بسیار سریع در نقاط مختلف را غیرممکن کرده است. نگاهی به عمق این محدودیت نشان می‌دهد قطعات به کار گرفته شده در مدارات یک رایانه مهم‌ترین عامل در وجود این مشکل به حساب می‌آید. گروهی از محققان در دانشگاه کالیفرنیا در سان دیگو این مشکل را برطرف کرده‌اند. آنها مدارات الکترونیکی بسیار سریعی با استفاده از ذراتی موسوم به اکسیترون ساخته‌اند که در دماهای سرد قابل تولید با فناوری‌های فعلی که اتفاقا مقرون به صرفه نیز باشند، عمل می‌کنند. با توجه به این دستاورد اکنون می‌توان گفت نسل جدیدی از رایانه‌های بسیار سریع ساخته شده‌اند که برای استفاده از آنها نیازی به محیط‌های بسیار سرد نظیر سرمای اعماق فضا نخواهد بود.

این دستاورد جدید علمی‌ که به عقیده دانشمندان انقلابی نوین در صنعت رایانه جهان محسوب می‌شود، به دنبال دستاورد قبلی همین دانشمندان در تابستان سال گذشته ارائه شده است. در آن زمان آنها مدار مجتمعی متشکل از ترانزیستورهای رایج در دستگاه‌های الکترونیکی ساخته بودند که استفاده از آن در دمای ۵/۱ درجه کلوین بالای صفر مطلق امکان‌پذیر است. این دما که معادل منهای ۴۵۷ درجه فارنهایت است نه‌تنها پایین‌تر از دمای اعماق سرد و تاریک فضاست، بلکه تنها در آزمایشگاه‌های بسیار پیشرفته قابل دستیابی است که البته این خود نوعی محدودیت جدید علمی‌ به شمار می‌آید.

اما اکنون این محققان مانع اخیر را نیز برداشته‌اند. آنها نسل جدیدتری از این مدارها را ساخته‌اند که در دمای ۱۲۵ درجه کلوین که معادل منهای ۲۳۴ درجه فارنهایت است نیز عمل می‌کنند. این دمای سردی است که اکنون و براحتی با استفاده از نیتروژن مایع نیز قابل دستیابی است. از آن گذشته نیتروژن قیمت چندانی نداشته و از این‌رو می‌توان به تحقق ایده ساخت رایانه‌های بسیار سریع مبتنی بر اکسیترون امیدوار بود. لئونید باتوف که سرپرستی محققان در این طرح را به عهده دارد، معتقد است: هدف ما خلق دستگاه با بازده کاری بالایی بوده که مبنای اصلی آن بر اکسیترون باشد و در دمای محیطی نیز بتواند عمل کند. اکنون می‌توانیم امیدوار باشیم که این فناوری نوین جایگزین دستگاه‌های الکترونیکی شوند که در آنها تعامل و تبادل بالا و سریع حرف اول و آخر را می‌زند.

دستیابی به چنین فناوری‌ می‌تواند برای دانشمندانی که در سال‌های گذشته محدودیت‌هایی در انجام محاسبات بسیار سریع داشتند مفید باشدالبته وی و تیم همراهش معتقدند هنوز ابتدای راه قرار دارند. آنها تاکنون توانسته‌اند اصول اولیه چنین فناوری را به اثبات برسانند و نشان دهند می‌توان رایانه‌های بسیار سریعی نیز ساخت که برای کار کردن به دماهای بسیار پایین برای سالم نگاه داشتن قطعات سازنده و مدارات آنها نیاز نیست و می‌توان در محیط معمولی اتاق نیز شاهد محاسبات بسیار سریع رایانه‌ای بود.

اما اکسیترون دقیقا چه ماده‌ای است؟ اکسیترون‌ها جفت‌هایی از الکترون‌های دارای بار منفی و حفره‌های با بار مثبت هستند که می‌توان آنها را با استفاده از نور در نیمه‌هادی نظیر آرسنید گالیوم تولید کرد. زمانی که الکترون‌ها و حفره‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند، اکسیترون به نوعی تجزیه شده و انرژی خود را در قالب پرتوی از نور آزاد می‌کند. این حقیقت پذیرفته شده علمی ‌که اکسیترون‌ها می‌توانند به نور تبدیل شوند موجب شده دستگاه‌هایی که مبتنی بر این ذرات ساخته می‌شود، عملکرد بسیار سریعی داشته و در عین حال در مقایسه با سیستم‌های الکترونیک فعلی از بازده کاری بالاتری نیز برخوردار باشند. در حال حاضر و در سیستم‌های الکترونیکی فعلی، تبادلات نوری مبنای تمام کارهاست. جایی که از الکترون‌ها برای محاسبات بهره برده می‌شود و برای استفاده از آنها در دستگاه‌های ارتباطاتی باید آنها را به نور تبدیل کرد.

ترانزیستورهایی که در این رایانه‌ها به کار گرفته می‌شوند سیگنال‌ها را با استفاده از اکسیترون مورد پردازش قرار می‌دهند که همچون الکترون‌ها می‌توان آنها را با ولتاژهای الکتریکی کنترل کرد، اما برخلاف الکترون‌ها در خروجی مدار تبدیل به فوتون می‌شوند. نکته مهم و متمایزکننده این فناوری نوین دقیقا در همین جاست، جایی که الکترون‌ها مستقیم به فوتون تبدیل می‌شوند. تبدیل مستقیم الکترون به فوتون این امکان را فراهم می‌آورد که محاسبه و ارتباط را به یکدیگر متصل کرد.

چنین ایده‌ای می‌تواند طراحی و ساخت رایانه‌های بسیار سریع را که بازده کاری قابل توجهی نیز دارند، متحول کند. در گذشته دانشمندان در طراحی چنین رایانه‌هایی با محدودیت‌های زیادی روبه‌رو بودند و همواره باید محیط بسیار سردی را برای استفاده از چنین سیستم‌هایی تهیه می‌کردند تا انجام محاسبات بسیار سریع لطمه‌ای به مدارات رایانه وارد نسازد، اما اکنون این مانع بزرگ برطرف شده است. به عقیده دانشمندان در صورتی که چنین فناوری‌ بزودی جنبه‌های کاربردی پیدا کند می‌توان امیدوار بود از آن در مأموریت‌ها و طرح‌های بزرگی نظیر ایستگاه فضایی بین‌المللی و فراتر از آن یعنی در مأموریت‌های ماه و مریخ استفاده کرد. از آن گذشته دستیابی به چنین فناوری‌ می‌تواند خبر خوشحال‌کننده‌ای برای دانشمندان علوم ریاضی و فیزیک محض باشد که در سال‌های گذشته محدودیت‌های موجود در انجام محاسبات بسیار سریع دست آنها را در ارائه دستاوردهای نوین علمی‌ کوتاه کرده است.

مهدی پیرگزی

منبع :Sciencedaily