قطعات نانو؛ آینده شبکه های ارتباطی

انتظار می رود در آینده اکتشافات جدید در زمینه نانوذرات، نقش مهم و پایایی در زمینه ارتباطات بازی نمایند. قطعات و سیستم های مخابراتی فوق سریع دوربرد و کوتاه برد، ماشین های محاسبانی قابل حمل و کم مصرف، حافظه و مدارات منطقی با تراکم بالا، مدارات مخابراتی فوق سریع، قطعات خودکار و پرقدرت جاذب و ذخیره ساز انرژی. وجود تمامی اینها بستگی به موفقیت های دانشمندان در تولید نسل جدید نانوذرات دارد. این مقاله برخی از پیشرفت های هیجان انگیز اخیر در زمینه نانو ذرات را که نقش مهمی در آینده شبکه ارتباطی خواهند داشت، مرور می کند.

مقدمه:

در طی دو دهه اخیر، پیشرفت های شگرفی در کنترل و مهندسی مواد جدید (در مقیاس نانومتر) نظیر ساختارهایی از مرتبه اتم ها، مولکول ها و ابرمولکول ها صورت گرفته است. ایجاد چنین ساختارهایی نویدبخش پدید آمدن قطعاتی مینیاتوری با مقیاس های قابل تغییر، برای سیستم های الکترونیکی، فوتونیک، مغناطیسی، الکترو مکانیکی با بازدهی انرژی بالا (به منظور انتقال محاسبات و ارتباطات) در آینده می باشند. هدایت ارتباطات آینده به طور معقولانه به سویی که انتقال اطلاعات و داده ها به سادگی و با آهنگ بیشتری برای سامانه های فراگیر در منازل و ادارات و حتی مکان های عمومی صورت پذیرد، کلید پیشرفت در همه زمینه مذکور می باشد. در حال حاضر، این نانو قطعات برای پردازنده های مینیاتوری، حافظه، مدارها، پیونددهنده ها (Interconnects)، و سیستم های محاسباتی آینده با قابلیت شارژ خودکار و با ظرفیت بالا و باور نکردنی دریافت اطلاعات، بازدهی فوق العاده انرژی، و قابلیت تغییر مقیاس جای خود را در بین مهندسان فن آوری های جدید باز کرده و دیگر موضوعاتی صرفا تحقیقاتی نیستند. شکی نیست که تلاش ها در زمینه های مختلف علمی و موفقیت های چشمگیر در ورود نانوذرات و نانو قطعات به عرصه های مختلف تجارت در آینده پتانسیل زیادی را در زمینه های اقتصادی فراهم می کند که می توان آن را با فن آوری ارتباط از راه دور(Telecommunication) در دهه 90 و رشد فنآوری اطلاعات (IT) در دهه اخیر قابل قیاس دانست.

در این مقاله ما تلاش خواهیم کرد تا به صورت فشرده نو آوری های انجام گرفته در زمینه نانو ذرات و نانو قطعات را مرور کنیم و گسترده ای از عامل های حیاتی در تضمین موفقیت فنآوری ارتباطات آینده و شبکه حسگرهای هوشمند را مطرح می سازیم.

نانوذرات برای قطعات مورد نیاز مخابرات افزایش تقاضا برای اتصال بی سیم، بوسیله سیستم های هوشمند فراگیر و دریافت اطلاعات بطوری که شخص، محدود به مکان های خاصی نباشد، این نیاز را بوجود آورده است که آهنگ ارسال اطلاعات بیشتر گردد. برای دست یابی به این مهم باید حافظه و قابلیت پردازش و محاسبات در قطعات مورد نیاز در حوزه مخابرات افزایش یابد؛ در عین حال شکل کوچک این قطعات حفظ شود و توان مصرفی آنها پایین باقی ماند برای بیشتر از یک دهه است که فعالیت های مربوط به این زمینه، بر روی بهبود فناوری نقاط اتصال داخل تراشه و بین تراشه ای و ارتباطات Board- Board متمرکز شده است. این کار بوسیله کاهش مقاومت رساناها نظیر مس و هم چنین کاهش ثابت دی الکتریک مواد با بکارگیری پلیمرهایی که دارای ضریب دی الکتریک پایین (Iow- K Polymers) دارند، قابل دست یابی است. چون آهنگ ارسال اطلاعات حدود ده میلیارد بر ثانیه است، از طرفی ابعاد مسیر آزاد الکترون در یک سیم مسی در دمای اتاق، حدود 40 نانومتر می باشد؛ در نتیجه مقاومت داخلی سیم های پیوند دهنده بین قطعات، بسیار زیاد خواهد بود. دلیل وجود این مقاومت داخلی بالا در سیم مسی، وجود نقص و ناخالصی در شبکه بلوری مس می باشد، به طوری که ارسال سیگنال ها حتی برای فاصله کوتاه 50 سانتی متر، از میرایی بالایی برخوردار خواهد بود و این سبب افزایش پراکندگی گرمایی می شود (یادداشت مترجم: ساختار درونی فلزات به صورت یک شبکه کریستالی و منظم است که اتم ها در مکان های خاصی قرار دارند و الکترون های رسانشی در فضای آزاد، بین اتم ها حرکت می کنند ولی به سبب ناخالصی و نقص های شبکه، برخی اتم ها از سایر عناصر به جای اتم اصلی در شبکه منظم بلوری قرار می گیرند، بدین ترتیب مسیرهای آزاد برای حرکت الکترون رسانش بوسیله این اتم ها مختل می گردند الکترون های رسانش در برخورد با این اتم ها از مسیر اولیه خود خارج می شوند، هر چه میزان پراکنندگی به سبب نقص شبکه بلوری فلز بیشتر باشد. جریان خروجی کمتری خواهیم داشت این دقیقا همان مفهوم مقاومت الکتریکی می باشد. انرژی که توسط الکترون حمل می شد در برخورد با اتم ها جذب می شود و این سبب بالا رفتن دمای فلز و در نتیجه نوسانات با دامنه بزرگ تر اتم ها در جای خود می گردند که این نیز به نوبه خود احتمال برخورد اتم ها با الکترون های دیگر رسانشی را افزایش می دهد. یعنی با بالا رفتن دما مقاومت الکتریکی بیشتر می شود) بنابراین سیم های رابط بین قطعات، یکی از بزرگ ترین مشکلاتی است که سیستم ها در مقیاس گیگا(Gigascale systems) با آن مواجه اند. در حال حاضر، بیشتر از 70 درصد خازن های موجود بر روی تراشه ها با کارآیی بالا بوسیله چنین رابطه هایی با یکدیگر در ارتباطند، و توان دینامیکی پراکنده شده در چنین رابط هایی بیشتر از آنچه که در یک ترانزیستور اتفاق می افتد، می باشد.

بنابراین، سیم های مذکور مانع بزرگی در جهت پیشرفت سیستم های پردازشگر بسیار بزرگ آینده خواهند بود مقاومت، ظرفیت، القای مزاحم مربوط به پیونددهنده های مسی، باعث پایین آمدن کارآیی کامپیوترها می گردد و به طور افزاینده ای سد راه توسعه فن آوری ریزپزدازنده های فوق العاده کوچک ULSI هستند، (ULSI Ultra-Large- Scale Integration)، ابتدا تاخیر سیگنال ها در سیم های رابط افزایش می یابد و این امر تبدیل به یک محدودیت ذاتی برای سرعت مدارهای دیجیتالی می گردد که نتیجه آن پایین آمدن سرعت ریزیزدارنده ها می باشد. به نظر نمی رسد فناوری های حال حاضر راه حل مناسبی برای رفع این مشکلات در دست داشته باشد، در نتیجه نیاز به تکنیک های جدید و نوآوری برای شکستن سد بزرگ رابط های مسی احساس می شود. یکی از راه های ممکن برای حل این مشکل استفاده از رابط های Photonic و رابط های نوری فضا- آزاد (Free- Space) می باشد.

رابط های فوتونیک مانند موجیرهای اپتیکی یا فیبرهای نوری می توانند داده های دیجیتالی را با ظرفیتی تا سه برابر داده های منتقل شده توسط رابط های الکترونیکی، منتقل نمایند. بر خلاف داده های الکترونیکی، سیگنال های نوری می توانند تا ده ها کیلومتر بدون میرایی و یا پراکنش، به مقصد منتقل گردند (توضیح مترجم: سیگنال های نوری منتقل شده توسط فیبرهای نوری در مدهای مختلف انجام می پذیرد، این فیبرهای نوری از موادی خاص و بدون هیچ گونه عامل اعوجاج تولید می گردند، که به صورت دو لایه، سه لایه و ... ساخته می شوند که با توجه به فرکانس نور، مد خاصی توان عبور از این فیبرها را دارد و بر اساس قانون شکست و بازتاب کلی در بین لایه ها منتشر می گردد، اگر درباره شفافیت این فیبرها بخواهیم مثالی بزنیم  می توان آن را با شیشه معمولی مقایسه کنیم، اگر شیشه ای معمولی به ضخامت 1 متر تولید کنیم و آن را در مقابل پنجره قرار دهیم درصد بسیار کمی نور از آن سوی شیشه به شما خواهد رسید. در صورتی که شیشه ساخته شده از جنس فیبر نوری تقریباً 99 درصد از نور را به خوبی عبور می دهد و از شدت آن نمی کاهد، حتی اگر شیشه ای به ضخامت 1 کیلومتر با این مواد تهیه  شود باز هم تا حدود 50 درصد نور به سوی دیگر خواهد رسید).

این فناوری با نام WDM شناخته می شود (WDM:Wavelength-Division Multiplexing). امروزه 40 سیگنال مجزا که آهنگ ارسال هر یک به تنهایی برابر 10 گیگا بایت بر ثانیه است را می توان به طور همزمان از طریق یک فیبر نوری به قطری برابر با قطر تار موی انسان ارسال نمود. علیرغم تمام ویژگی های مثبتی که از پیوند دهنده های نوری بر شمردیم، دلیل مهمی که هنوز این پیوند دهنده ها جایگاه خود را در صنعت باز نکرده اند، قیمت بالا، ابعاد بزرگ آنها، و همچنین مشکل بکارگیری آنها با CMOS در طراحی مدار می باشد، (CMOS.Complementary Metal Oxide Semiconductor)، قطعات پیوند دهنده نوری امروزی از مولفه های ویژه ای نظیر آرسنید گالیم (GaAs)، فسفید ایندیوم (InP)، نیوبات لیتیم (LiN)، و مواد عجیب و غریب دیگر ساخت می شوند، به همین دلیل نمی توان آنها را به سادگی در چیپ های سیلیکونی بکار گرفت. این امر سبب شده تا ساخت مدار با پیونددهنده های نوری مشکل باشد زیرا مسیرهایی که نور باید در آنها منتشر شود باید با دقتی از مرتبه میکرومتر مشخص شوند. باید در نظر داشت پیوند دهنده های نوری زمانی در عرصه صنعت وارد شدند که برای نیم قرن است که صنعت الکترونیک با اختراع مدارهای مجتمع (TC) یکه تاز میدان است. منطقی ترین راه برای پیوند دهنده های نوری حرکت به سمت فروش عمده (Mass Marketing) و ارائه یک پکیج نوین، تولید انبوه آن با قیمت پایین می باشد. خوشبختانه اخیرا، چندین نانو ذره و روش ساخت در مقیاس نانو، نقش مهمی در مجتمع سازی قطعات نوری مختلف بر روی صفحه سیلیکونی دارند.

برگرفته از مجله بزرگراه رایانه

تنظیم برای تبیان: فاطمه مجدآبادی