ابررسانایی, هدیه ارزشمند برای صنعت الکترونیک و کامپیوتر

درباره انواع و اقسام تکنولوژی های گوناگونی که در تولید قطعات الکترونیکی استفاده می شوند صحبت شده به جز پدیده ابررسانایی که خدا وکیلی بسیار مظلوم واقع شده است

درباره انواع و اقسام تکنولوژی‌های گوناگونی که در تولید قطعات الکترونیکی استفاده می‌شوند صحبت شده به جز پدیده ابررسانایی که خدا وکیلی بسیار مظلوم واقع شده است. در مقاله امروز درباره دو موضوع ابررسانایی و چرخه تبدیل انرژی در قطعات دیجیتالی صحبت خواهم کرد. اول موضوع دوم و دوم موضوع اول را خواهم گفت.

● چرخه تبدیل انرژی

بارها صحبت شده که اتلاف انرژی از معظلات دنیای دیجیتالی است و سرمایه‌های بسیاری صرف کاهش مصرف انرژی و میزان اتلاف در هنگام مصرف انرژی می‌شود و خواهد شد. پردازنده‌های اصلی (CPU)، پردازنده‌های گرافیکی (GPU)، چیپ‌ست مادربرد (Northbridge)، مسیرهای انتقال و کنترل داده در لایه‌های مادربرد (PCB)، قطعات حافظه‌ها (RAM)، منبع‌تغذیه (Power Supply) و هارددیسک‌ها از جمله قطعات پرمصرفی هستند که بخش قابل توجهی از انرژی دریافتی را به‌ صورت گرما از دست می‌دهند. چند سالی است که این معضل گریبان سیستم‌های پردازشی در مقیاس بزرگ را نیز گرفته و از شواهد پیداست که موضوع اصلی تمامی سازندگان قطعات دیجیتال در دهه آتی میلادی خواهد بود. اما چاره چیست؟

اولین راهی که به ذهن کاوش‌گران خطور می‌کند، کاهش میزان مصرف انرژی است تا به ‌همین نسبت میزان اتلاف نیز کاهش یابد. راه‌حل تکمیلی بسیار جالب‌تر است. به این‌ صورت که این موضوع را فرض قطعی گرفته است که هر چقدر هم که میزان مصرف را کاهش دهیم، بخشی از انرژی در قالب گرما از سیستم خارج می‌شود. باید راهی پیدا کرد تا بتوان انرژی فراری پنهان شده در قالب گرما را به‌ شکلی به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. تحقیقات جدیدی در این‌باره تعریف شده است و تا حدودی با موفقیت توام بوده، اما معضل کنونی این شیوه در این است که برای تبدیل انرژی گرمایی باز هم نیازمند صرف انرژی خواهیم بود. چشم‌انداز تحقیقات، مثبت نشان می‌دهد و تلاش‌ها در این‌جهت ادامه دارد تا میزان انرژی موردنیاز برای بازگرداندن انرژی از قالب گرما به شکل الکتریکی را کاهش دهد و این راه‌حل معنادار شود. تا یکی دو سال دیگر مشخص خواهد شد که آیا این شیوه (جذب گرما و تبدیل دوباره آن به جریان الکتریکی) عملی خواهد شد یا خیر؟

● و اما ابر رسانایی

راستش خبر ندارم که تا چه حد با مفهوم ابر رسانایی آشنا هستید. ابر رسانایی (Superconductivity) از عجایب خلقت است، به این‌ شکل مقاومت الکتریکی برخی مواد در دماهای پایین از بین می‌رود. نمی‌دانم می‌دانید یا نه، که در پژوهش‌های فیزیکی از سیستم سنجش دمای کلوین استفاده می‌کنند. هرگاه ماده ساکن شود، یعنی هیچ‌یک از اجزای مولکول‌ها حرکت نکنند، گرمایی ایجاد نمی‌شود. در این ‌وضعیت دمای ماده، صفر درجه کلوین خواهد بود که حدود ۲۷۳ درجه زیر صفر سانتی‌گراد است. پس وقتی گفته می‌شود که دمای ماده‌ای ۷۳ درجه کلوین است، منظور ۲۰۰ درجه زیر صفر سانتی‌گراد است!

تمامی موادی که در عالم خاکی یافت می‌شوند در برابر عبور جریان الکتریکی رفتاری نشان می‌دهند که مقاومت الکتریکی خوانده می‌شود. بر اساس همین رفتار است که مواد به سه دسته رسانا، غیررسانا و نیمه‌رسانا تقسیم می‌شوند. فلزات اغلب رسانا و غیرفلزات اغلب نارسانا هستند، و برخی مواد پیدا می‌شوند که همچون آفتاب‌پرست رنگ عوض می‌کنند، اگر دما بالا رود یک رفتار دارند و اگر دما کاهش یابد رفتاری عکس در پیش می‌گیرند. دنیای دیجیتال بر پایه رفتار مواد نیمه‌رسانا بنا شده است. هرگاه جریانی عبور کند و مقاومتی وجود داشته باشد، بدون‌شک با اتلاف انرژی مواجه خواهیم بود. دانشمندی هلندی حدود صد سال پیش پدیده جالبی را کشف کرد که ابر رسانایی خوانده شد و به‌ همین دلیل جایزه نوبل سال ۱۹۱۳ را نصیب خود کرد. این دانشمند فهمیده بود که جیوه جامد در دمای چهار درجه کلوین مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهد. مثل این می‌ماند که ماده در وضعیت ابر رسانایی چشمان خود را بر عبور جریان الکتریکی می‌بندد و شتر دیدی ندیدی،‌ به‌ همین دلیل ذره‌ای انرژی تلف نمی‌شود. اگر سیمی با استفاده از مواد ابررسانا تولید کنیم و آن را به شکل حلقه درآوریم و جریانی الکتریکی را در آن وارد کنیم، جریان مذکور برای سال‌ها در سیم جریان خواهد داشت و برای صدها هزار سال ذره‌ای افت پیدا نخواهد کرد.!

برخی از مواد مانند طلا خاصیت ابررسانایی را حتی در دمای نزدیک به صفر درجه کلوین نیز نشان نمی‌دهند، اما برخی دیگر خاصیت ابر رسانایی را در دماهایی بالاتر بروز می‌دهند. ابتدا انتظار می‌رفت که ابررسانایی در دماهای نزدیک به صفر مطلق (منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد) بروز کند، اما در دهه هشتاد میلادی در یکی از آزمایشگاه‌های اروپایی IBM اتفاقی افتاد که فک دانشمندان را با خاک یکسان کرد. جریان به این شکل بود که ماده‌ای سرامیکی خاصیت ابر رسانایی را در دمای ۸۰ درجه کلوین از خود برزو داد و مشخص شد که مواد غیررسانا نیز ابررسانا می‌شوند. بعدها موادی ساخته شدند که خاصیت ابررسانایی را در دمای ۲۰۰ درجه کلوین یعنی ۷۳ درجه زیرصفر سانتی‌گراد بروز دادند.

نکته جالب‌تر اینکه IBM حدود سه چهار سالی می‌شود که کشف ماده ابر رسانایی را در دستور کار قرار داده است که در دمای ۳۰۰ درجه کلوین (۲۷ درجه سانتی‌گراد) خاصیت ابررسانایی را بروز دهد. اگر چنین ماده‌ای کشف شود، رخداد بزرگی را در دنیای دیجیتالی شاهد خواهیم بود، زیرا موضوع اتلاف از دنیای دیجیتال رخت خواهد بست!

● سیستم‌های آینده!

تولید قطعات دیجیتالی ابررسانا برای چهار پنج سال هزینه‌های هنگفتی همراه خواهد داشت و استفاده از آن برای مخاطبان عام ممکن نخواهد بود. بسیاری از سازمان‌ها و شرکت‌های بزرگ پیشنهاد ایجاد کنسرسیومی را به IBM داده‌اند تا از مزایای آن بهره‌مند شوند. گفته مدیر عملیات شرکت گوگل را یادآوری می‌کنم که موضوع مصرف بیش از حد انرژی، تامین هزینه‌های برق موردنیاز و خنک‌سازی خیل سرورها را بزرگ‌ترین دغدغه آتی شرکت متبوع خود عنوان کرده بود. پیش‌بینی شده است که استفاده از قطعات ابررسانا هزینه انرژی مصرفی را به یک‌سوم تا یک‌چهارم کاهش خواهد داد. دیگر اینکه، سیستم‌های مبتنی بر قطعات ابررسانا نیاز چندانی به خنک‌سازی و تهویه مطبوع نخواهند داشت.

دنیای دیجیتالی در اولویت اول استفاده از قطعه ابرسانا قرار دارد و پس از آن صنایع دیگر از مواهب آن بهره‌مند خواهند شد. شنیده شده است که محققان IBM به صورت آزمایشگاهی موفق به ساخت ماده‌ای سرامیکی شده‌اند که در دمای صفر درجه سانتی‌گراد وارد فاز ابررسانایی می‌شود. این گفته تایید نشده است، در هر حال دعا کنید که ماده مناسب زودتر کشف شود!