حداکثر سرعت کامپیوترهای فعلی چقدر است؟
محققان بین المللی با انجام آزمایش های جدیدی در خصوص فرکانس های قابل دست یابی برای ساخت ریزپردازنده های رایانه ای، حد بالایی سرعت کامپیوترها با فناوری های فعلی را تعیین کرده اند.
بررسی های جدید محققان آلمانی و اتریشی نشان می دهند که حداکثر سرعت انتقال سیگنال در ریزتراشه ها حدود یک پتاهرز یا به زبان دیگر، یک میلیون گیگاهرتز است، یعنی حدود صدهزار برابر سریع تر از ترانزیستورهای موجود. با این حال، این که آیا تراشه های کامپیوتری با چنین سرعتی را بتوان واقعاً تولید کرد یا خیر، هنوز جای سوال دارد.
به طور کلی، علم میکروالکترونیک، دو رویکرد را برای سریع‌تر کردن رایانه‌ها دنبال می‌کند. یکی کوچک تر کردن اجزاء سیستم است تا مسیر انتقال داده (مسیر سیگنال از A به B) به معنای واقعی کلمه کوتاه شود. از نظر علمی، حد فیزیکی این کوچک سازی به اندازه یک اتم است و یک مدار نمی تواند از نظر فیزیکی کوچک تر از این باشد.
دومین رویکرد برای انتقال سریع تر داده ها، افزایش سرعت سیگنال های سوئیچینگ در خود ترانزیستورها است. این ها اجزایی در ریزتراشه ها هستند که یا جهت جریان را مسدود می کنند یا به آن اجازه می دهند ادامه یابد. به گزارش سیناپرس، حالا دانشمندان دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ، موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک و دانشگاه های فناوری وین و گراتس، در تحقیق خود اشاره کرده اند با توجه به آن که، کلمه سریع در دنیای الکترونیک، به معنای فرکانس بالا است، لذا سریع‌تر کردن کامپیوترها، به معنای بالابردن هرچه بیشتر فرکانس است و این فرکانس مربوط به سیگنال الکترومغناطیسی است.
در این خصوص، بالاترین سرعت، مربوط به فرکانس نور است که می تواند به عنوان سیگنال الکترومغناطیسی نیز در نظر گرفته شده و مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، در اپتوالکترونیک، جایی که نور برای برانگیختن الکترون های نیمه هادی ها استفاده می شود، این اتفاق می افتد.به گزارش سیناپرس، در این حالت، اتم های مواد نیمه هادی که معمولا در ترانزیستورها از آن ها استفاده می شود، با دریافت نور در محدوده فرکانس نور مادون قرمز، برانگیخته شده و از حالت ایزوله به حالت رسانا تغییر پیدا می کنند.
اما مواد دی الکتریک مانند شیشه یا سرامیک می توانند بر این محدودیت ها غلبه کنند، زیرا در مقایسه با نیمه هادی ها برای برانگیخته شدن، انرژی بسیار بیشتری را نیاز دارند. انرژی بیشتر به نوبه خود امکان استفاده از نور با فرکانس بالاتر و در نتیجه انتقال سریع تر داده را فراهم می کند.
با این حال، متأسفانه به گفته محققان فوق، مواد دی الکتریک نمی توانند الکتریسیته را بدون شکستن هدایت کنند. به عنوان مثال، اگر میدان الکترومغناطیسی را روی شیشه اعمال کنید تا آن را هدایت کند، این کار معمولا منجر به شکستن شیشه و ایجاد سوراخ در آن می شود.
اکنون راه حلی که گروه تحقیقاتی آلمانی و اتریشی برای رفع این گونه مشکلات برگزیده اند، این است که پالس ولتاژ اعمال شده یا فرکانس سوئیچینگ را به قدری کوتاه نگه دارند که ماده زمینه ای اصلاً زمانی برای شکستن نداشته باشد.
این فیزیکدانان به طور خاص، برای بررسی های خود از یک پالس لیزری فوق کوتاه با فرکانس در محدوده شدید UV استفاده کردند. آن ها یک نمونه لیتیوم فلوراید را با این پالس لیزری بمباران کردند. لیتیوم فلوراید دی الکتریک است و دارای بیشترین شکاف نواری در بین تمام مواد شناخته شده است.
پالس لیزری بسیار کوتاه، الکترون‌های موجود در لیتیوم فلوراید را به حالت پرانرژی‌تری رساند تا بتوانند آزادانه حرکت کنند. به این ترتیب ماده برای مدت کوتاهی تبدیل به یک رسانای الکتریکی شد. سپس یک پالس لیزری دوم و کمی طولانی‌تر، الکترون‌های برانگیخته را در جهت دلخواه هدایت کرد و جریان الکتریکی ایجاد کرد که می‌توان آن را با الکترودهای دو طرف ماده تشخیص داد.
آن ها بر اساس آزمایش های فوق به این نتیجه رسیده اند که سرعت در حدود یک پتاهرتز، می تواند به عنوان یک حد بالایی برای فرآیندهای اپتوالکترونیکی کنترل شده برای به کارگیری در ریزپردازنده ها در نظر گرفته شود.
گفتنی است یافته های شگفت انگیز فوق را مجله علمی Nature Communications منتشر کرده است.