اولين ترانزيستورهاي چهار حالته؛ زمان خداحافظي با منطق صفر و يك فرا رسيده است؟

در طول دهه‌‌هاي اخير و هم‌زمان با ابداع روش‌‌هاي تازه در كاهش ابعاد ترانزيستورها، شاهد بوده‌ايم كه كامپيوترها و ساير دستگاه‌هاي الكترونيكي به‌طور پيوسته سريع‌تر و كوچك‌تر شده‌‌اند. ترانزيستورها شاكله‌‌ي اصلي تجهيزات پردازشي و درواقع انواعي از سوئيچ الكتريكي هستند كه با قطع‌‌و‌‌وصل شدن خود، اطلاعات را به‌‌شكل ديجيتال منتقل مي‌‌كنند.

تلاش بي‌‌وقفه‌‌ي دانشمندان براي طراحي ترانزيستورهاي كوچك‌تر منجر به تراكم هرچه بيشتر اين قطعات روي تراشه‌‌ها شده است. اما به انديشه متخصصين مي‌‌رسد اين مسابقه به روزهاي آخر خود نزديك شده است؛ چراكه پژوهشگران در حال نزديك‌‌شدن به آستانه‌‌ي محدوديت‌‌هاي فيزيكي در طراحي ترانزيستورها هستند كه نمونه‌‌ي بارز آن، موفقيت اخير در توليد مدل‌‌هاي ۱۰ و ۷ نانومتري بوده؛ اين يعني قطعاتي كه پهناي آن‌‌ها تنها به‌‌اندازه‌‌ي ۳۰ اتم است. دكتر كيونگجائه چو، استاد علم مواد و مهندسي از دانشگاه تگزاس در دالاس مي‌‌گويد:

قدرت پردازش دستگاه‌هاي الكترونيكي از صدها ميليون يا ميليارد ترانزيستوري ناشي مي‌شود كه روي يك تراشه‌‌ي كامپيوتر به يكديگر متصل شده‌اند. اما ما به‌‌سرعت در حال نزديك‌‌شدن به آستانه‌‌ي محدوديت در ابعاد هستيم.

امروزه براي پاسخ به نياز روزافزون بازار به پردازش‌‌هاي سريع‌‌تر، صنعت ميكروالكترونيك به‌دنبال فناوري‌هاي جايگزين است. تحقيقات تازه‌‌ي چو كه در ۳۰ آوريل در ژورنال علمي نيچر به‌‌صورت الكترونيك منتشر شده، نشان مي‌‌دهد كه ممكن است با وسعت‌‌دادن به فرهنگ لغات تعريف‌‌شده براي ترانزيستور، به راهكار تازه اي دست پيدا كرد.

ترانزيستورهاي فعلي تنها مي‌توانند تنها دو مقدار تعريف‌شده از اطلاعات را انتقال دهند. به‌‌عبارت دقيق‌تر، هريك از اين ترانزيستورها در حقيقت تنها سوئيچ‌هايي دوحالته هستند كه مي‌‌توانند خاموش يا روشن باشند؛ اين مفهوم از لحاظ باينري به دو مقدار صفر و يك ترجمه مي‌‌شود.

يك راه براي افزايش ظرفيت پردازش بدون اضافه‌‌كردن ترانزيستورها، افزايش ميزان اطلاعات هر ترانزيستور ازطريق تعريف حالت‌هاي مياني بين دو حالت‌ روشن و خاموش اين تجهيزات دودويي خواهد بود. براساس اين اصل، ايجاد ترانزيستورهاي منطقي به اصطلاح چندمقداره باعث خواهد شد كه عملياتي بيشتر انجام شده و درنتيجه حجمي بيشتر از اطلاعات در يك دستگاه پردازش شود. چو مي‌‌افزايد:

ترانزيستورهاي منطقي چندمقداره‌ي جديد، مفهوم تازه‌‌اي ندارند و تلاش‌هاي زيادي براي ساخت چنين تجهيزاتي انجام گرفته است كه نهايتا ما را به موفقيت رساندند.

گروه چو در دانشگاه تگزاس توانسته‌‌اند ازطريق انديشه متخصصينيه، طراحي و شبيه‌سازي، فيزيك پايه‌‌ي مربوط‌‌به نحوه‌‌ي ساخت يك ترانزيستور منطقي چند مقداره را براساس اكسيد روي توسعه دهند و در ادامه نيز همكاران آن‌‌ها در كره‌‌ي جنوبي موفق به ساخت و نهايتا ارزيابي عملكرد يك دستگاه نمونه‌‌ي اوليه شده‌اند. دستگاه چو قادر به اختياركردن دو حالت مياني بين حالت‌‌هاي صفر و يك است كه از لحاظ الكترونيكي نيز پايداري كافي را دارند. اين بدان معنا است كه تعداد مقادير منطقي هر ترانزيستور از دو به چهار رسيده است.

رايانه‌‌هاي فعلي از دو مقدار دقيق ۰ و ۱ براي انجام محاسبات خود استفاده مي‌كنند؛ درحالي‌كه واحدهاي منطقي پايه در يك كامپيوتر كوانتومي از سياليت بيشتري برخوردار هستند و مي‌‌توانند مقاديري تركيبي از صفر و يك يا هر مقدار ديگري در اين بازه را شامل شوند. اگرچه هنوز راهي طولاني تا توليد تجاري چنين محصولاتي در پيش داريم، اما از لحاظ انديشه متخصصيني پيش‌‌بيني مي‌‌شود كه رايانه‌‌هاي كوانتومي بتوانند اطلاعات بيشتري را ذخيره كرده و نيز مسائل خاصي را با سرعت بيشتري نسبت‌‌به رايانه‌‌هاي عادي حل كنند. چو مي‌‌گويد:

دستگاهي با منطق چندسطحي از رايانه‌‌هاي مرسوم سريع‌‌تر خواهد بود؛ چرا كه مي‌‌تواند با مقاديري بيشتر نسبت‌‌به مقادير باينري كار كند. درصورت رسيدن به مقادير كوانتوني، ما مقاديري پيوسته در اختيار خواهيم داشت. ترانزيستورها يك فناوري بسيار بالغ به‌‌شمار مي‌‌آيند و ازسوي ديگر كامپيوترهاي كوانتومي حتي به‌‌ مرحله‌‌ي تجاري‌‌سازي نزديك هم نشده‌اند. در اينجا يك شكاف بزرگ وجود دارد. پس چگونه مي‌‌توان از اين مرحله گذار كرد؟ ما به‌نوعي مسير تكاملي نياز داريم؛ يك پل ارتباطي بين شكل باينري و درجات بي‌‌پاياني از آزادي. مبناي كار ما هنوز روي فناوري موجود است؛ پس نمي‌‌توان گفت اين دستاورد به‌‌اندازه‌‌ي محاسبات كوانتومي انقلابي محسوب مي‌‌شود ولي مسلما با آن هم‌‌سو است.

پژوهشگران كشف كرده‌‌اند كه با استفاده از كريستال‌هاي اكسيد روي كه نقاط كوانتومي نيز ناميده مي‌شوند، مي‌‌توانند به فيزيك موردنياز براي منطق چندمقداره دست يابند. اتم‌هاي تشكيل‌دهنده يك جامد بي‌شكل به اندازه‌‌ي ذرات كريستالي از نظم و ترتيب برخوردار نيستند. چو اضافه كرد:

با مهندسي اين مواد، ما دريافتيم كه مي‌توانيم ساختار الكترونيكي تازه‌‌اي براي فعال‌‌سازي رفتار منطق چندسطحي ايجاد كنيم. اكسيد روي ماده‌‌‌ي شناخته‌شده‌‌اي است كه مي‌‌تواند هر دو حالت جامدهاي كريستالي و جامدهاي بي‌‌شكل را داشته باشد؛ بنابراين براي شروع، گزينه‌‌ي مناسبي محسوب مي‌شود اما ممكن است درادامه دريابيم كه بهترين ماده نيست. گام بعدي ما اين خواهد بود كه ببينيم اين ويژگي چقدر در ميان مواد ديگر عموميت دارد تا درنهايت بتوانيم اين فناوري را بهينه كنيم. همچنين در حين اين پيشرفت، قصد داريم مطالعه كنيم كه چگونه مي‌توان اين فناوري را با يك دستگاه كوانتومي ارتباط داد.

پروفسور جيونگ كيم، استاد علم مواد و مهندسي از دانشگاه تگزاس در دالاس به همراه دكتر جئونگ‌‌وون هوان، پژوهشگر پسادكترا در دانشگاه ملي چونام از كره‌‌ي جنوبي از ديگر نويسندگان اين مقاله در ژورنال علمي Nature Communications بوده‌‌اند كه پژوهشگران ديگري از دانشگاه‌‌ها و مؤسسات پژوهشي كره‌‌ي جنوبي نيز با آن‌‌ها همكاري داشته‌‌اند.

اين پژوهش با حمايت بنياد ملي تحقيقات كره انجام شده است.