اولین ترانزیستورهای چهار حالته؛ زمان خداحافظی با منطق صفر و یک فرا رسیده است؟

در طول دهه‌‌های اخیر و هم‌زمان با ابداع روش‌‌های تازه در کاهش ابعاد ترانزیستورها، شاهد بوده‌ایم که کامپیوترها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی به‌طور پیوسته سریع‌تر و کوچک‌تر شده‌‌اند. ترانزیستورها شاکله‌‌ی اصلی تجهیزات پردازشی و درواقع انواعی از سوئیچ الکتریکی هستند که با قطع‌‌و‌‌وصل شدن خود، اطلاعات را به‌‌شکل دیجیتال منتقل می‌‌کنند.

تلاش بی‌‌وقفه‌‌ی دانشمندان برای طراحی ترانزیستورهای کوچک‌تر منجر به تراکم هرچه بیشتر این قطعات روی تراشه‌‌ها شده است. اما به نظر می‌‌رسد این مسابقه به روزهای آخر خود نزدیک شده است؛ چراکه پژوهشگران در حال نزدیک‌‌شدن به آستانه‌‌ی محدودیت‌‌های فیزیکی در طراحی ترانزیستورها هستند که نمونه‌‌ی بارز آن، موفقیت اخیر در تولید مدل‌‌های ۱۰ و ۷ نانومتری بوده؛ این یعنی قطعاتی که پهنای آن‌‌ها تنها به‌‌اندازه‌‌ی ۳۰ اتم است. دکتر کیونگجائه چو، استاد علم مواد و مهندسی از دانشگاه تگزاس در دالاس می‌‌گوید:

قدرت پردازش دستگاه‌های الکترونیکی از صدها میلیون یا میلیارد ترانزیستوری ناشی می‌شود که روی یک تراشه‌‌ی کامپیوتر به یکدیگر متصل شده‌اند. اما ما به‌‌سرعت در حال نزدیک‌‌شدن به آستانه‌‌ی محدودیت در ابعاد هستیم.

امروزه برای پاسخ به نیاز روزافزون بازار به پردازش‌‌های سریع‌‌تر، صنعت میکروالکترونیک به‌دنبال فناوری‌های جایگزین است. تحقیقات تازه‌‌ی چو که در ۳۰ آوریل در ژورنال علمی نیچر به‌‌صورت آنلاین منتشر شده، نشان می‌‌دهد که ممکن است با وسعت‌‌دادن به فرهنگ لغات تعریف‌‌شده برای ترانزیستور، به راهکار تازه ای دست پیدا کرد.

ترانزیستورهای فعلی تنها می‌توانند تنها دو مقدار تعریف‌شده از اطلاعات را انتقال دهند. به‌‌عبارت دقیق‌تر، هریک از این ترانزیستورها در حقیقت تنها سوئیچ‌هایی دوحالته هستند که می‌‌توانند خاموش یا روشن باشند؛ این مفهوم از لحاظ باینری به دو مقدار صفر و یک ترجمه می‌‌شود.

یک راه برای افزایش ظرفیت پردازش بدون اضافه‌‌کردن ترانزیستورها، افزایش میزان اطلاعات هر ترانزیستور ازطریق تعریف حالت‌های میانی بین دو حالت‌ روشن و خاموش این تجهیزات دودویی خواهد بود. براساس این اصل، ایجاد ترانزیستورهای منطقی به اصطلاح چندمقداره باعث خواهد شد که عملیاتی بیشتر انجام شده و درنتیجه حجمی بیشتر از اطلاعات در یک دستگاه پردازش شود. چو می‌‌افزاید:

ترانزیستورهای منطقی چندمقداره‌ی جدید، مفهوم تازه‌‌ای ندارند و تلاش‌های زیادی برای ساخت چنین تجهیزاتی انجام گرفته است که نهایتا ما را به موفقیت رساندند.

گروه چو در دانشگاه تگزاس توانسته‌‌اند ازطریق نظریه، طراحی و شبیه‌سازی، فیزیک پایه‌‌ی مربوط‌‌به نحوه‌‌ی ساخت یک ترانزیستور منطقی چند مقداره را براساس اکسید روی توسعه دهند و در ادامه نیز همکاران آن‌‌ها در کره‌‌ی جنوبی موفق به ساخت و نهایتا ارزیابی عملکرد یک دستگاه نمونه‌‌ی اولیه شده‌اند. دستگاه چو قادر به اختیارکردن دو حالت میانی بین حالت‌‌های صفر و یک است که از لحاظ الکترونیکی نیز پایداری کافی را دارند. این بدان معنا است که تعداد مقادیر منطقی هر ترانزیستور از دو به چهار رسیده است.

رایانه‌‌های فعلی از دو مقدار دقیق ۰ و ۱ برای انجام محاسبات خود استفاده می‌کنند؛ درحالی‌که واحدهای منطقی پایه در یک کامپیوتر کوانتومی از سیالیت بیشتری برخوردار هستند و می‌‌توانند مقادیری ترکیبی از صفر و یک یا هر مقدار دیگری در این بازه را شامل شوند. اگرچه هنوز راهی طولانی تا تولید تجاری چنین محصولاتی در پیش داریم، اما از لحاظ نظری پیش‌‌بینی می‌‌شود که رایانه‌‌های کوانتومی بتوانند اطلاعات بیشتری را ذخیره کرده و نیز مسائل خاصی را با سرعت بیشتری نسبت‌‌به رایانه‌‌های عادی حل کنند. چو می‌‌گوید:

دستگاهی با منطق چندسطحی از رایانه‌‌های مرسوم سریع‌‌تر خواهد بود؛ چرا که می‌‌تواند با مقادیری بیشتر نسبت‌‌به مقادیر باینری کار کند. درصورت رسیدن به مقادیر کوانتونی، ما مقادیری پیوسته در اختیار خواهیم داشت. ترانزیستورها یک فناوری بسیار بالغ به‌‌شمار می‌‌آیند و ازسوی دیگر کامپیوترهای کوانتومی حتی به‌‌ مرحله‌‌ی تجاری‌‌سازی نزدیک هم نشده‌اند. در اینجا یک شکاف بزرگ وجود دارد. پس چگونه می‌‌توان از این مرحله گذار کرد؟ ما به‌نوعی مسیر تکاملی نیاز داریم؛ یک پل ارتباطی بین شکل باینری و درجات بی‌‌پایانی از آزادی. مبنای کار ما هنوز روی فناوری موجود است؛ پس نمی‌‌توان گفت این دستاورد به‌‌اندازه‌‌ی محاسبات کوانتومی انقلابی محسوب می‌‌شود ولی مسلما با آن هم‌‌سو است.

پژوهشگران کشف کرده‌‌اند که با استفاده از کریستال‌های اکسید روی که نقاط کوانتومی نیز نامیده می‌شوند، می‌‌توانند به فیزیک موردنیاز برای منطق چندمقداره دست یابند. اتم‌های تشکیل‌دهنده یک جامد بی‌شکل به اندازه‌‌ی ذرات کریستالی از نظم و ترتیب برخوردار نیستند. چو اضافه کرد:

با مهندسی این مواد، ما دریافتیم که می‌توانیم ساختار الکترونیکی تازه‌‌ای برای فعال‌‌سازی رفتار منطق چندسطحی ایجاد کنیم. اکسید روی ماده‌‌‌ی شناخته‌شده‌‌ای است که می‌‌تواند هر دو حالت جامدهای کریستالی و جامدهای بی‌‌شکل را داشته باشد؛ بنابراین برای شروع، گزینه‌‌ی مناسبی محسوب می‌شود اما ممکن است درادامه دریابیم که بهترین ماده نیست. گام بعدی ما این خواهد بود که ببینیم این ویژگی چقدر در میان مواد دیگر عمومیت دارد تا درنهایت بتوانیم این فناوری را بهینه کنیم. همچنین در حین این پیشرفت، قصد داریم بررسی کنیم که چگونه می‌توان این فناوری را با یک دستگاه کوانتومی ارتباط داد.

پروفسور جیونگ کیم، استاد علم مواد و مهندسی از دانشگاه تگزاس در دالاس به همراه دکتر جئونگ‌‌وون هوان، پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه ملی چونام از کره‌‌ی جنوبی از دیگر نویسندگان این مقاله در ژورنال علمی Nature Communications بوده‌‌اند که پژوهشگران دیگری از دانشگاه‌‌ها و مؤسسات پژوهشی کره‌‌ی جنوبی نیز با آن‌‌ها همکاری داشته‌‌اند.

این پژوهش با حمایت بنیاد ملی تحقیقات کره انجام شده است.