محبوبه عمیدی: تراشههای کامپیوتری، مدارهایی الکترونیکی کوچکی هستند که قطعات مداری به کار رفته در آنها بسیار کوچک و در ابعاد نانومتر است. به همین دلیل نمی‌توان آنها را به صورت جداگانه تولید و سپس روی مدار اولیه جاسازی کرد. دانشمندان برای ساخت ریزپردازنده‌ها و مدارهای مجتمعی در این ابعاد، از روشی موسوم به «لیتوگرافی نوری» استفاده می‌کنند. در این روش با استفاده از پرتوهای فرابنفش، تک‌تک قطعات مدارها و خطوط ارتباطی میان آنها روی صفحه بسیار نازکی از یک ماده نیمه‌رسانا مانند سیلیکون، حک میشود.
در حال حاضر کوچک‌ترین نقش‌های حک‌شده روی تراشهها در ابعاد 65 نانومتر است و البته اینتل به تازگی موفق به تولید ترانزیستورهای 45 نانومتری نیز شده است. اما به هر حال، فرایند لیتوگرافی نوری نیز محدودیت‌هایی دارد، چراکه در این فرایند به سختی می‌توان قطعاتی ساخت که از طول‌موج نور به کار رفته کوچکتر باشند و این، می‌تواند قانون مور را نقض کند.
قانون مور سالهاست که جزیی از دنیای نیمه‌رسانا‌ها، مدارهای میکرو الکترونیک و به طبع آن صنعت آی‌تی شده است. میشود گفت همه چیز از حدس و گمان و مقاله گوردون مور، از بنیان‌گذاران شرکت اینتل به مناسبت سالگرد انتشار مجله الکترونیکس در سال 1344 / 1965 آغاز شد. او در این مقاله نشان داده بود پیچیدگی مدارهای میکروالکترونیک به طور متوسط، هر دو سال یک‌بار دو برابر شده است. معیار اندازه‌گیری این پیچیدگی نیز تعداد ترانزیستورها در واحد سطح بود، بدین معنی که هر دو سال یک بار، ریزپردازنده‌هایی به بازار آمده‌اند که تعداد ترانزیستورهای آنها در واحد سطح دو برابر گذشته بود.
شاید این پیش‌بنی چندان هوشمندانه و جاه‌طلبانه به نظر نرسد، اگر این مطلب را در نظر نگیریم که مور این مقاله را تنها 6 سال پس از ساخت اولین تراشههای الکترونیکی به رشته تحریر در آورده بود.
این روند با سرعتی حدود 18 ماه در سال‌های بعد از آن نیز ادامه یافت، تا آنجاکه به عنوان معیاری برای پیش‌بینی آینده صنعت میکروالکترونیک مورد توجه قرار گرفت و آرام آرام، این پیش‌بینی جالب‌توجه به «قانون مور» تبدیل شد.
طبیعی است که 2 برابر شدن تعداد ترانزیستورها در واحد سطح به معنای نصف شدن ابعاد آنها است. در دهه 1370 / 1990 کوچکتر شدن تراشهها امکان دست‌یابی به سرعتهای بالاتری را فراهم کرد. اما امروزه مدارها چنان فشرده شدهاند که تراشهها داغ می‌شوند و عملکرد کلی‌شان کاهش مییابد. آخرین خطوط مدارهای امروزی حدود 45 نانومتر قطر دارند و بنابر تحقیقات انجام شده، قطر این مدارها تا سال 1395 / 2016 به 22 نانومتر کاهش خواهد یافت. اما با گذشت زمان، بشر به جایی رسیده است که محدودیت‌های فیزیکی دیگر اجازه نصف شدن چند باره ابعاد را نمی‌دهد. آیا این به معنی نزدیک شدن صنعت ریزپردازنده‌ها به پایان قانون مور است ؟
آینده صنعت آی‌تی بدون قانون مور، یکی از دغدغه‌های غولهایی مانند اینتل و آی.بی.ام در سال‌های اخیر بوده است. یکی از کسانی که در این زمینه بررسی‌هایی انجام داده و ایده‌هایی برای آینده دارد، کارل اندرسون، محقق و طراح سرورهای کامپیوتری در شرکت آی.بی.ام است. او با ذکر شواهدی از توسعه صنعتی راه‌آهن و هواپیما، معتقد است آن‌قدر در این زمینه با شتاب پیش آمده‌ایم که به پایان دوران پر رونق این صنعت نزدیک شده‌ایم.
اندرسون می‌گوید: «ریزپردازنده‌های فعلی، نهایتا یکی دو نسل دیگر دوام خواهند آورد؛ آن‌هم با استفاده از شگردهای گوناگون مانند استفاده از انواع ریزپردازنده‌های چند هستهای. البته بسیاری از طراحان اصلا به این‌که استفاده روزمره از رایانه مستلزم استفاده از جدیدترین فناوری‌های فیزیکی است، چندان اعتقادی ندارند».
او یکی دیگر از موانع موجود در مقابل وفاداری به قانون مور را هزینه‌های سنگین تحقیقاتی برای یافتن مواد جایگزین سیلیکون و استفاده از آنها برای تولید تراشه‌هایی در ابعاد کمتر از 45 نانومتر می‌داند؛ چراکه در ابعادی کوچکتر از این، خواص سیلیکون که ماده اصلی و پایه ساخت ترانزیستور است، تغییر میکند. بنابراین برای ساخت پردازندههایی با فناوری کوچک تر از 45 نانومتر، امکان استفاده از ترانزیستورهای سیلیکونی وجود ندارد. به عبارت دیگر، اکنون به زمانی رسیدهایم که امکان افزایش تعداد ترانزیستورها در واحد سطح وجود ندارد و باید چاره دیگری بیاندیشیم، مانند استفاده از هافنیوم که در ساخت ترانزیستورهایی با ابعاد زیر 45 نانومتر کارایی دارد. نیازی به توضیح نیست که باز هم با گذشت زمان و نزدیکی تراشهها به حد نهایی خود، معادله فعلی به هم خواهد خورد. به نظر می‌رسد، حفظ این قانون در کنار تحقیق روی مواد تازه، نیازمند خلاقیت و راه‌کارهای تازه نیز باشد. برخی راه‌کارهای پیشنهادی دانشمندان از این قرار است:
1- استفاده از انواع اتصالات داخلی نوری مانند فیبرهای نوری
2- استفاده از ریز پردازندههای چند هستهای، نهایتا تا 8 هسته برای مصارف خانگی
عملکرد این قطعات چند هستهای از طریق جایگزینی یک هسته پردازنده خیلی سریع با دو یا چند هسته پردازنده نسبتا کندتر است. برای مثال، یک پردازنده سریع 3 گیگاهرتزی (سرعت یک گیگاهزتر معادل یک میلیارد محاسبه در ثانیه است) می‌تواند با دو هسته کندتر 2.1 گیگاهرتزی جایگزین شود. این دو هسته پردازنده در کنار هم میتوانند دادهها را سریعتر، با مصرف انرژی کمتر، و در نتیجه با حرارت کمتری پردازش کنند. پردازندههای چند هستهای موجود در بازار مزیت دیگری نیز دارند و آن، عملکرد شناخته شده آنهاست. چندین دهه است که شرکتهای مختلف، ابرکامپیوترهایی ساخته‌اند که بر مبنای این روش کارمیکنند، یعنی با استفاده هم‌زمان از تعداد زیادی پردازنده، سرعت محاسبات را به شکل حیرت‌آوری بالا می‌برند.
3
- تولید انواع تراشههای سه بعدی که یک نوآوری کاملا متفاوت در ساخت تراشهها و طراحی مدارها محسوب میشود. در نیمهرسانههای سه بعدی یا چند طبقهای، به سادگی می‌توان با روی هم گذاشتن قطعات یک تراشه، مثل طبقات یک ساختمان، بهبود قابل توجهی در کارایی ریزپردازنده ایجاد کرد. در این تراشهها، با کاهش فاصله مدارهای محاسباتی در بخش‌هایی که مدیریت حافظه و سایر کنترلها را به عهده دارند، کارآیی پردازنده افزایش مییابد. حاصل این طرح، یک تراشه چند طبقه سیلیکونی است که سریعتر و خنکتر از تراشههای معمولی عمل میکند.
4- استفاده از پردازندههایی که که بر پایه شتاب‌دهنده‌ها طراحی شدهاند.
5- استفاده از فناوری نانو و تولید نانو سیم‌های ژرمانیومی پوشیده‌شده با تک‌بلورهای منگنز.
این نانو سیم‌ها در دمای بالاتر از 300 درجه کلوین خاصیت فرومغناطیسی نشان می‌دهند و رفتارشان شبیه به رفتار مغناطیسی مولکول‌های آهن می‌گردد. این نانو سیم‌ها میتوانند به عنوان واحدهای ساختمانی ابزارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند. این راه حل نه تنها مبتنی بر تغییر ماده، که بر اساس تغییر ساختار ترانزیستور است. نیمه‌رساناهای مغناطیسی در طبیعت وجود ندارند و باید به صورت مصنوعی ساخته شوند. ژرمانیوم با سیلیکون سازگار است و می‌توان بدون تغییری خاص در طراحی، به آسانی از آن در قطعات الکترونیکی سیلیکونی موجود استفاده کرد. البته تا زمان استفاده عملی از ترانزیستورهای مبتنی بر این فناوری، ما به 10 سال زمان نیاز داریم.
6- استفاده از تراشههای هافنیوم به جای تراشههای سیلیکونی، که قابلیت استفاده در ابعاد کمتر از 45 نانومتر را دارا است و علاوه بر آن، اثر حرارتی بسیار کمتری نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی دارد که این امر هم به نوبه خود کار تولید پردازندههای آینده را آسانتر خواهد کرد. این پردازندهها که با فناوری زیر 45 نانومتر ساخته خواهند شد، توانی مشابه پردازندههای امروزی و حتی کمتر از آنها مصرف خواهند کرد.
کارشناسان امیدوارند با استفاده از تمام این تکنیکها در کنار یکدیگر، بتوانند صنعت 227 میلیارد دلاری ریزپردازنده‌ها را به جلو سوق بدهند.
البته ما علاوه بر این‌که به تغییرات اساسی در ساختار فیزیکی تراشهها نیاز داریم، تغییرات مشابهی را نیز باید در دنیای نرمافزار اعمال کنیم. پردازندههای چند هستهای، فقط وقتی میتوانند عملکرد واقعی خود را نشان دهند که نرمافزارها بتوانند وظایف خود را به دستههای مجزای از دستورالعملها که به طور هم‌زمان پردازش خواهند شد، تقسیم کنند.
متاسفانه تعداد کمی از نرمافزارهای امروزی، چه نرمافزارهای موجود روی خود تراشهها و چه برنامههای کاربردی، برای این منظور بهینه شدهاند. عملکرد برنامههایی که بدین منظور بهینه شوند، افزایش فوق‌العادهای خواهد یافت. این مطلب به ویژه در مورد برنامههای چند رسانهای و بازیها صدق می کند.
ولی تبدیل همه نرمافزارهای موجود برای دست‌یابی به چنین قابلیتی، سالها طول خواهد کشید؛ چرا که طراحی و ساخت نرمافزار برای پردازش چند هستهای، یکی از سختترین مباحثی است که علوم کامپیوتر با آن مواجه است. اینتل هم‌اکنون سه هزار نفر از دههزار برنامه نویسش را به امر توسعه و طراحی نرمافزار خاص پردازندههای چند هستهای دعوت کرده است. شرکت‌هایی مانند آی.بی.ام و ان‌ویدیا هم که در زمینه تولید پردازندههای گرافیکی (جی.پی.یو) کار میکند، به تلاش برای بهبود زمینه‌های علمی، مهندسی و بصری این سری ریزپردازنده‌ها روی آورده‌اند. اینتل علاوه بر این تعهد کرده است تا پایان سال جاری تراشه Larrabee خود را که یک شتابدهنده است، به بازار عرضه کند.
اما پاسخ این سوال، هنوز مشخص نیست که آیا دنیای فناوری اطلاعات باز هم زمان را پشت سر خواهد گذاشت یا به قانون مور وفادار خواهد ماند؟ گذشت زمان همه چیز را روشن میکند.
نظر شما