همه ساله شرکت‌های گوناگون محصولات جديد خود اعم از کامپیوترها و ریزپردازنده‌ها را به دنياي ديجيتال وارد می‌کنند؛ کالاهای دیجیتالی که هرساله قابليت‌هايي را به نمایش می‌گذارند که در سال‌های گذشته حتي فکرش هم مقدور نبود. حال آنکه گوردن مور (Gordon Moore)، بنيان‌گذار شرکت اينتل (Intel)، اين پديده را حدود ۵۰ سال قبل پیش‌بینی کرده بود که بعدها به نام قانون مور مشهور شد.
طبق این پیش‌بینی تعداد ترانزيستور‌هاي ريز پردازنده‌ها در هر دوره‌ی ۱.۵ ساله به دو برابر مقدار اولیه افزابش مي‌يابد. بدیهی است که اين افزایش دوبرابری تعداد ترانزيستورها از طرفی به معناي نصف‌شدن ابعاد ترانزيستورهاست. اما سوال اصلی این است که چرا شرکت‌های سازنده مدارهای مجتمع به دنبال کوچک‌ترکردن ابعاد ترانزیستورها و افزایش تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع هستند؟ این کار چه مزیتی دارد؟
مقاله مرتبط: ترانزیستور: از خودخواهی تا تحول جهانی
ترانزیستورها توسط الکترون‌های آزاد یا حفره‌های آزاد موجود در مواد، مسیر رسانش الکتریکی را برقرار می‌کنند. از این ویژگی ترانزیستورها که مشابه یک کلید است، در طراحی مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. با افزایش تعداد ترانزیستورها در مدارات مجتمع یا به عبارتی کوچک‌ترشدن ترانزیستورها، مسیر طی‌شده توسط الکترون‌ها و حفره‌های آزاد برای رسانش الکتریکی کاهش می‌یابد و اینکار به افزایش سرعت پردازش اطلاعات کمک می‌کند.
واحدهای حافظه‌ها از جمله RAM و ROM نیز همگی از ترانزیستور تشکیل شده است. بنابراین هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع بیشتر شود، اندازه حافظه‌ها نیز بیشتر خواهد شد.
به همین علت نیز سرعت واحد پردازشگر مرکزی در رایانه‌ها مرتباً در حال افزایش است به طوری که امروزه سرعت رایانه‌ها از چندصدمگاهرتز به چند گیگا هرتز رسیده است و در حال حاضر نیز در حال افزایش است و این در حالی است که با حفظ اندازه‌ی ظاهری حافظه‌ها، میزان حافظه‌ی آنها به سرعت در حال افزایش است.
کوچک، کوچک، کوچکتر…
اندازه ترانزیستورها به طور معمول با طول کانال ترانزیستور، یعنی فاصله‌ی بین سورس و درین مشخص می‌شود. طول کانال ترانزیستور در چند سال گذشته از حدود ۲۵۰ نانومتر به ۱۸۰ نانومتر، و پس از آن به ۹۰ نانومتر کاهش یافته است. در مدارهای مجتمع امروزی طول کانال ترانزیستور همچنان کاهش یافته و به و کمتر از ۵۰ نانومتر رسیده است.
البته دستیابی به چنین ابعاد کوچکی ، آسان نبوده و نیازمند حل مسائل و مشکلات بسیاری است. زمانیکه از ابعاد چند ده نانومتر صحبت می‌کنیم، با تعداد محدودی اتم سر و کار داریم و کار با چند اتم مسائل پیش‌بینی‌نشده‌ی بسیاری به دنبال دارد. در واقع در این ابعاد مشکلات و مسائل کوانتومی رخ می‌دهد که در ابعاد بزرگ‌تر به سادگی قابل صرف نظر کردن است؛ ولی اکنون نمی‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. مشکل دیگر، دستیابی به فناوری ساخت ترانزیستور در این ابعاد است که در حال حاضر امکان‌پذیر نیست و نیازمند تغییرات اساسی در فنون و ابزارهای ساخت مدارهای مجتمع است.
در حال حاضر شاهد ارائه پردازنده‌هایی با اندازه‌ی حدودی ۱۰ نانومتر توسط شرکت‌های مرتبط هستیم و با توجه محدودیت‌های ذکرشده که با کوچک شدن ترانزیستورها بیشتر خودنمایی می‌کند قانون مور با پشت سرگذاشتن ۵۰ سال، دچار تغییراتی است و شرایط به گونه‌ای تغییر یافته که دیگر بازه‌ی زمانی ۱۸ ماهه مورد اشاره در قانون مور اجرایی نیست و این بازه ۶ ماه افزایش یافته است.
مقاله مرتبط: مدار مجتمع: پلی به دنیای ماشینی
اما آيا اين رویداد به معناي پايان عصر کامپيوترهاي امروزی در چند سال آينده است؟ آيا نسل کامپيوترهای امروزی به کل ازبین می‌رود؟ يا اين که سازندگان کامپيوترهای کنونی راه خود را تغيير داده و به روشهای ديگری روی خواهند آورد؟
با به پایان رسیدن دوران قانون مور، دانشمندان سمت شاخه‌های جديدی از روشهای محاسباتی سوق یافته اند تا در هنگام لزوم بتوانند جايگزينی مناسب برای نمونه‌های امروزی کامپیوترها ارائه کنند؛ روش‌هايي از جمله محاسبات کوانتومي، محاسبات زيستي، و … اما آنچه که بدیهی است، در نسل جدید از این کامپيوترها اثری از چیپ یا مدارهای مجتمع و پردازنده‌های کنونی نخواهد بود.
حال نگاهی به تاریخچه‌ی چگونگی کشف قانون مور و پیشرفت آن تا شکل‌گیری فرم کنونی خواهیم داشت:
سال ۱۹۶۵: ارائه‌ی نظریه‌ی قانون مور
قانون مور در جریان نگارش مقاله توسط گوردون مور، و با در نظر گرفتن دو فاکتور اصلی از مشاهدات وی کشف شد. فاکتور اول مرتبط با تعداد بهینه‌ی اجزایی است که در ساخت یک تراشه می‌تواد به کار گرفته شود. به کارگیری اجزای بیشتر معادل با کاهش هزینه درقبال هر جزء است. البته در این بین استثنائی نیز وجود دارد که براساس آن پس از یک مقدار مشخص، با افزایش تعداد اجزای مورد استفاده عملکرد کاهش می‌یابد. این رابطه در نمودار زیر به روشنی به نمایش گذاشته شده است.
از طرفی گوردون مور به روشنی مشاهده کرد که تعداد ترانزیستورهای استفاده‌شده در هر تراشه پس از تولید اولین ترانزیستورها در سال ۱۹۵۹ در فاصله‌های یک ساله، افزایش دوبرابری داشته است. وی این موضوع را نیز در منحنی دیگری به تصویر کشید که در زیر مشاهده می‌کنید.
مور برطبق این دو نکته پیش‌بینی کرد که رویه‌ی افزایش دوبرابری تعداد ترانزیستورهای به کاررفته در تراشه‌ها تا ده سال به همین ترتیب ادامه خواهد داشت. مور هیچگاه تصور نمی‌کرد پیش‌بینی وی به یکی از قوانین اصلی دخیل در دنیای الکترونیک تبدیل شود. دقت پیش‌بینی مور تا حدی زیاد بود که در مقاله‌ی وی علاوه بر نریه‌ی دو برابر شدن تعداد ترانزیستورهای موجود در تراشه‌ها، به مشکلات احتمالی ایجاد شده در سال‌های آینده نیز اشاره شده است.
سال ۱۹۷۵: جاودانگی قانون مور
اگرچه مور در ابتدا تصور نمی‌کرد که پیش‌بینی‌هایش در حوزه‌ی تولید پردازنده‌ها و تعداد ترانزیستورها تا سال ۱۹۷۵ دقیق باشد، اما با گذشت سال‌ها همگان به صحت این پیش‌بینی در ارتباط با تعداد ترانزیستورها در دهه‌ی پیش رو ایمان آوردند. مور در سال ۱۹۷۵ به این نتیجه رسید که با گذشت زمان، موضوع تراکم در میزان افزایش ترانزیستورهای تراشه‌ها تاثیر بسزایی خواهد داشت. لذا بیان کرد که تعداد ترازیستورهای بکاررفته در پردازنده‌ها پس از سال ۱۹۸۰ هر دو سال یکبار دو برابر خواهد شد.
تراکم اجزای مورد استفاده در پردازنده‌ها با نزدیک شدن به سال ۱۹۷۵، به تدریج به مساله‌ی مهمی تبدیل شد، از سویی دیگر شخصی به نام دیو هاوس (Dave House) از شرکت اینتل به این نتیجه رسید که سرعت پردازش اجزای مورد استفاده نیز با گذشت زمان افزایش یافته است. وی با درنظرگرفتن این نکته، اقدام به بهینه‌سازی قانون مور کرده و آن را به شکل امروزی درآورد.از جمله تغییرات رخ‌داده در قانون مور این بود که از نظر هاوس پس از سال ۱۹۷۵ تعداد اجزای به کاررفته در تراشه‌ها به جای یک بازه‌ی یک ساله، در هر دوره‌ی ۱۸ ماهه دو برابر خواهد شد. این بازه‌ی زمانی از بازه‌ی اعلام‌شده توسط مور در سال ۱۹۶۵ بیشتر و از بازه‌ی اعلام شده در سال سال ۱۹۷۵ کمتر بود و به عنوان قانون استاندارد در موضوعات مختلف به کار گرفته شد.
قانون مور از اهمیت فوق‌العاده‌ای برای فعالان در صنعت تولید پردازنده‌ها و کالاهای الکترونیک برخوردار بوده و تضمین کننده‌ی سرعت پیشرفت پردازنده‌های تولید شده در دنیای فناوری است.
منابع
-Moore, Gordon E. (1965-04-19). “Cramming more components onto integrated circuits”. Electronics. Retrieved 2016-07-01.
-Moore, Gordon E. (1965). “Cramming more components onto integrated circuits” (PDF). Electronics Magazine. p. 4. Retrieved 2006-11-11.
-Moore, Gordon. “Progress In Digital Integrated Electronics” (PDF). Retrieved July 15, 2015.
-Moore, Gordon (2006). “Chapter 7: Moore’s law at 40”. In Brock, David. Understanding Moore’s Law: Four Decades of Innovation (PDF). Chemical Heritage Foundation. pp. 67–۸۴. ISBN 0-941901-41-6. Archived from the original (PDF) on 2016-03-04. Retrieved March 22, 2018.
– “Over 6 Decades of Continued Transistor Shrinkage, Innovation” (Press release). Santa Clara, California: Intel Corporation. Intel Corporation. 2011-05-01. Retrieved 2015-03-15. 1965
– “Moore’s Law to roll on for another decade”. Retrieved 2011-11-27.
– Disco, Cornelius; van der Meulen, Barend (1998). Getting new technologies together. New York: Walter de Gruyter. pp. 206–۲۰۷. ISBN 3-11-015630-X. OCLC 39391108. Retrieved August 23, 2008.
نانوتکنولوژی در گذر زمان توی عکس صفحه چی هست؟
اسم مجموعه ای هست که این مقاله بهش تعلق داره. در صورت تمایل میتونید بقیه مقاله های این مجموعه رو هم با کلیک روی عنوان (نانوتکنولوژی در گذر زمان) از برچسب های پایین پست ببینید.