چگونه لامپ‌های خلا با فناوری جدید به دوام قانون مور کمک خواهند کرد؟

 پس از سال‌های نوآوری و پیشرفت روزافزون در زمینه‌ی تولید پردازنده‌ها، از سال ۲۰۰۵ میلادی شاهد توقف افزایش فرکانس کاری پردازنده‌ها هستیم و گران‌تر شدن استفاده از لیتوگرافی‌های زیر ۲۸ نانومتر، مشکلاتی را برای کمپانی‌های تولید پردازنده ایجاد کرده است. این مشکل سدی در برابر تداوم قانون مور است که براساس آن تعداد ترازیستورها هر دوسال یکبار دو برابر خواهد شد. همانطور که پیش از این نیز در زومیت و در سلسله مطالبی خواندید، کمپانی‌های فعال در این حوزه راهکارهای مختلفی را برای گذر این مشکل در پیش گرفته‌اند که یکی از آن‌ها بازگشت به اولین روزهای تولید پردازنده‌ها و رایانه‌ها و استفاده از لامپ‌های خلا است. آژانس فضایی ایالات متحده‌ی آمریکا در این راستا استفاده از لامپ‌های خلا را با بهره‌گیری از فناوری‌های روز دنبال می‌کند.

پیش از آنکه بشر به فناوری ساخت ترازیستورها دست یابد، لامپ‌های خلا بنیادی‌ترین بخش از ابزار‌ها الکترونیکی بودند. رادیوها، تلفن‌ها، تجهیزات ابتدایی ضبط و پخش صدا و حتی اولین رایانه‌ها نیز از آن استفاده می‌کردند. فناوری ساخت لامپ‌های خلا طی سالیان با پیشرفت‌هایی همراه شد، هرچند کامپیوترهای اولیه با مشکلاتی روزانه درست به گریبان بودند، تا اینکه متخصصان موفق به ساخت ترازیستورها شدند و به سرعت جای لامپ‌های خلا را گرفتند. یکی از مشکلات لامپ‌های خلا گرم شدن آن‌ها در زمان استفاده است که با احتساب قرار گرفتن چندین هزار عدد از این لامپ‌ها در کنار یکدیگر، رایانه‌ی مورد نظر تبدیل به یک کوره‌ی بزرگ می‌شده است. برای مثال می‌توان به انیاک اشاره کرد که شامل ۱۷،۶۴۸ لامپ خلا بوده و انرژی مصرفی آن برابر ۱۵۰ تا ۱۷۵ کیلووات بوده است.

ترانزیستورها با شتاب بالایی پیشرفت کرده و موفق به شکست سریع‌ترین ترازیستورهای موجود شدند، اما امروز ترازیستورها دیگر جایی برای پیشرفت نداشته و محدودیت‌های موجود در دانش تولید منجر به بن‌بست خوردن استفاده از این ترانزیستورها شده است. علت رسیدن به بن‌بست در استفاده از ترازیستورها را باید در رسیدن به کمال در تولید این قطعات الکترونیکی عنوان کرد. در حال حاضر و با پیشرفت در پایین بردن سایز ترانزیستورها، نیاز به ترازیستورهای بسیار کوچک داریم که حتی امکان برش آن‌ها توسط پرتوهای لیزر نیز وجود ندارد. برای ساخت چنین ترازیستورهایی باید میزان ناخالصی‌ها در ساختار اتم‌های سیلیکون در مقیاس یک دهم اتم کنترل شوند.

چگونه لامپ‌های خلا به بقای قانون مور کمک خواهند کرد؟

براساس نتایجی که محققان در تحقیقات برای استفاده از لامپ‌های خلا به دست آورده‌اند، در صورتی که لامپ‌های خلا به مقیاس‌های کوچک‌تری تقسیم شوند، شماری از قابلیت‌های مثبت خود را نگه داشته و در مقابل این تقسیم و کوچک شدن منجر به از بین رفتن معایب این قطعات خواهد شد. براساس گزارشی که در مجله‌ی IEEE Spectrum منتشر شده، با کوچک کردن مقیاس لامپ خلا و همچنین کاهش ولتاژ به‌میزان کافی، اثر گسیل الکترون میدانی (Field Emission Effect) این امکان را فراهم می‌آورد تا ترانزیستور الکترون‌ها را از فضای موجود عبور دهد؛ اما نکته در این گسیل الکترونی، نبود انرژی لازم برای انتقال انرژی به هلیوم موجود در داخل لامپ خلا است. براساس نتایج منتشر شده، دانشمندان با استفاده از این روش موفق به ساخت ترانزیستورهایی با فرکانس کاری ۴۶۰ گیگاهرتز شده‌اند که فرکانس مورد نظر در میان امواج مایکرویو و مادون قرمز است و به آن فضای تراهرتزی یا Terahertz Gap اطلاق می‌شود. اهمیت این فضا به این دلیل است که تنها تعداد محدودی از ابزار‌ها قادرند تا چنین فرکانسی را در این محدوده تولید کنند.

هم‌اکنون این ساختار‌ها در آزمایشگاه‌ها در حال بررسی هستند. محققان تعدادی از این ترانزیستورهای پرقدرت را تولید کرده‌اند که قادر به فعالیت در چنین فرکانس‌های کاری بالایی هستند، هرچند هنوز چالشی بزرگ باقی مانده و آن قراردادن میلیون‌ها عدد از این ترازیستورها در فضایی محدود است. ترازیستورهای ۴۶۰ گیگاهرتزی کنونی با استفاده از جریان ۱۰ ولتی کار می‌کنند در حالی که نمونه‌های کوچک‌تر با جریان ۱ تا ۲ ولتی نیز به فعالیت خود ادامه می‌دهند. هنوز مشخص نیست که مقیاس ترازیستورهای تولید شده چه میزان است، اما به‌هرحال دانشمندان این ترازیستورها را دارای پتانسیل بالایی برای استفاده در سخت‌افزار ارتباطی و زیرپردازنده‌ها می‌دانند.

قرار نیست که لامپ‌های خلا در ۲ یا ۳ سال آتی نحوه‌ی تولید و استفاده از رایانه‌ها را متحول کنند، اما دانشمندان امیدوارند تا با توسعه‌ی چنین سیستم‌هایی سایر راهکارها از جمله رایانش کوانتومی را که ریزپردازنده‌های امروزی را به چالش می‌کشند، از میان بردارند.