מזעור והאצת המחשבים שנתקלו במחסום התחממות יתר, עשויים לקבל חיים חדשים תודות לקפיצת דרך טכנולוגית בחקר נאנו-צינוריות פחמן
שוק המיקרו-מעבדים הגיע לאיזשהו קיפאון בשנים האחרונות. אם שמתם לב, מהירות המעבדים נעצרה בערך ב-3.5-4 גה"צ, ואפילו מספר הליבות נשאר ברוב המקרים ב-4 ליבות לשוק הביתי. הסיבה לכך היא לא ההאטה בשוק המחשבים האישיים (וההאטה גם לא נוצרה עקב עצירת מהירות המעבדים או התרבות הליבות במעבד), למרות שבהחלט יש מקום להאט פיתוח אם הכסף לא זורם כמו בעבר.המעצור הוא טכנולוגי ביסודו. חוק מור, שנוצר עקב התבטאות של אחד ממייסדי אינטל (גורדון מור) כבר ב-1965, גורס כי מספר הטרנזיסטורים במעגל משולב (מיקרו-מעבד של מחשב למשל), יוכפל כל שנתיים (ולפעמים רק 18 חודשים, לפי דייויד האוס, בכיר אחר באינטל) עקב התקדמות הטכנולוגיה.
| מקס ופרוסת השבבים הבנויה מנאנו-צינוריות פחמן |
ההצהרה של מור הייתה לגבי עשר השנים הבאות (לאחר 1965), אך המשיכה להיות משמעותית ומדוייקת עד הזמן הנוכחי. אך למרות שהתחזיות הראו כי החוק ימשיך להיות רלוונטי עד 2015 או אף עד 2020, סימנים מדאיגים מראים כי הוא מתחיל לאבד מדיוקו והאטה בגידול מספר הטרנזיסטורים מורגשת כבר כעת (בסוף 2013) שגורמת להכפלת מספר הטרנזיסטורים כל שלוש שנים במקום כל שנתיים.
למזלנו, הקהילה המדעית אינה קופאת על שמריה, וחוקרים בסטנפורד הדגימו לפני מספר ימים מחשב נסיוני המבוסס על טרנזיסטורים שבנויים מנאנו-צינוריות פחמן ומסוגל להגיע למהירות גבוהות הרבה יותר מאשר סיליקון.
היתרונות בשימוש בנאנו-צינוריות פחמן הם רבים: הן סופר-מוליכות חשמל, ניתן לעצב אותן בגדלים קטנים בהרבה מאשר סיליקון, והן יכולות לשנות מצב במהיריות גבוהות מאוד (כפי שנדרש מטרנזיסטורים). אך הדבר העוצר בעדן מלהפוך לדור הבא של מעבדי ורכיבי מחשב הוא אחוז הטעויות הגבוה בייצור שלהן. בשיטות המתקדמות ביותר לייצור עד כה, הנאנו-צינוריות יוצרו בקבוצות כאשר עד 30 אחוזים מהן נוצרו מתכתיות במקום חצי-מוליכות – דבר שהוא בלתי מתקבל על הדעת אם רוצים לעשות בהם שימוש לרכיבי מחשב. או שכך לפחות חשבו עד עכשיו.
| קירוב במיקרוסקופ אלקטרוני של מעגל הבנוי מנאנו-צינוריות פחמן |
מקס שולקר (Max Shulaker), סטודנט לתואר שלישי בהנדסת חשמל בסטנדפורד, פרסם יחד עם קבוצת תלמידים נוספים מחקר בראשות הפרופסורים סובהאסיש מיטרה (Subhasish Mitra) וה.ש. פיליפ וונג (H.S. Philip Wong) בכתב העת Nature המרחיב אודות ההישג המרשים.
"אנשים דיברו על עידן חדש של אלקטרוניקה המבוססת על נאנו-צינוריות פחמן שתירש את מקום הסיליקון", מספר מיטרה, מהנדס חשמל ומדען מחשבים, כמו גם פרופסור-עמית בפקולטת צ'אמברס להנדסה. "אך עד כה, ראינו רק הדגמות ספורות של מערכות דיגיטליות שלמות העושות שימוש בטכנולוגיה המלהיבה הזו. כעת בידנו ההוכחה".
הסיבה לאחוז הטעויות הגבוה היא שנאנו-צינוריות פחמן מגודלות בדומה לגבישים, ובקושי רב יותר מאשר סיליקון. כמו כל דבר אחר שמגודל, אחוז הטעויות גבוה היות ויש ריבוי של אי-דיוקים בתהליך. בנוסף לכך, הצינוריות אינן גדלות בקוים ישרים ונוחים – אלא בעיקולים ועקומות, מה שיוצר קושי נוסף כאשר רוצים להרכיב אותן יחדיו, וגם מקשה על שינויי מצב הדרושים לטרנזיסטורים. אפילו בשיטות הייצור המתקדמות ביותר, בהן הצליחו להגיע ל-99.5 אחוזים של דיוק בגידול צינוריות ישרות, חוסר הדיוק הקטן הזה עלול להרוס שבב שלם מלפעול באופן תקין.
החוקרים החליטו על גישה אחרת לפתרון הבעיה: במקום להתעקש לגדל צינוריות ישרות, הם החליטו לחבר בינהן בצורה כזו שתפצה על הטעויות הנוצרות כאשר מחברים אותן לקבוצה עבור שימוש כטרנזיסטור. בנוסף לכך, הם ניתקו את הצינוריות שנוצרו כחצי מוליכות (אלה שבהן ניתן להשתמש), וחיברו את המעגל למתח בצורה כזו שכל החשמל התרכז מיידית בצינוריות שנוצרו מתכתיות. הצינוריות הללו התחממו כל כך שהתאדו לענני פחמן דו-חמצני, וכך "ניקו" את המעגל מצינוריות שאינן שימושיות לצורך שבבי מחשב.
| המתקן שליד הפרוסה מכיל את המחשב הראשון המבוסס על נאנו-צינוריות פחמן |
בכדי לעקוף את הבעיה הנעוצה בחוסר הדיוקים, פיתחו החוקרים אלגוריתם רב עוצמה שממפה תכנון מעגל בצורה כזו, שגם אם הוא מכיל אי דיוקים הוא ימשיך לעבוד בצורה תקינה.
הצוות בסטנפורד הרכיב שבב מחשב המבוסס על נאנו-צינוריות פחמן המרכיבות 178 טרנזיסטורים – מגבלה הקשורה ליכולת הייצור של מתקני האוניברסיטה ולא למחסום טכנולוגי. ההדגמה שלהם הראתה שבב עובד המסוגל להפוך אות אנלוגי לאות דיגיטלי – פעולת מחשוב נפוצה – והוכיחה כי הדרך נפתחה למחשבים מהירים ביותר המבוססים על חומר שאנו כבר יודעים איך לייצר.
זוהי פריצת דרך משמעותית ביותר. מעבר לדחיית קיצו או הארכת חוק מור, השימוש בנאנו-צינוריות פחמן פותח פתח למחשבים קטנים וחזקים מאי פעם, והשינויים שאלו יעשו בחיינו יהיו רבים – חלקם נראים לעין וחלקם חבויים – אך משמעותיים ביותר לחיינו וחיי הדורות הבאים.
האם החומר השימושי אכן יביא לנו את הדור הבא של מחשבים עוצמתיים באריזה קטנה מאי פעם? האם הטאבלט בעוד חמש או עשר שנים יריץ משחקים ברמת קרייסיס בלי להתחמם? שתפו אותנו בדעתכם בתגובות!
