מחשב שלם בתוך פרודה יחידה

הייתכן שפרודות (מולקולות), שכל אחת מהן מהווה רכיב מחשבי בפני עצמה, תוכלנה להביא צמיחה אפילו גדולה יותר בכוח החישוב בששת העשורים הבאים?

במהלך ששת העשורים האחרונים, מזעור שיא של טרנזיסטורים סיפק גידול חסר-תקדים בכוח המחשוב. הייתכן שפרודות, שכל אחת מהן מהווה רכיב מחשבי בפני עצמה, תוכלנה להביא צמיחה אפילו גדולה יותר בכוח החישוב בששת העשורים הבאים.

מחשוב בקנה-מידה אטומי, בו תהליכי מחשוב מתבצעים בפרודה יחידה או תוך שימוש במעגלים המכילים משטחים חד-אטומיים, טומן בתוכו הבטחה עצומה לתעשיית המיקרואלקטרוניקה. הדבר מאפשר למחשבים להגדיל את כוח החישוב שלהם באמצעות פיתוח רכיבים במידות ננו- ופיקו- מטריות. בתיאוריה, מחשוב בקנה-מידה אטומי יוכל לספק מחשבים עוצמתיים יותר ממחשבי-העל של היום.

“חוקרים בתחום המחשוב האטומי נמצאים כיום באותה הנקודה שבה היו חוקרי הטרנזיסטורים לפני שנת 1947. אף אחד לא יודע לאן פנינו,” מציין Christian Joachim מהמרכז לפיתוח חומרים ולימודיים מבניים (CEMES) במרכז המחקר המדעי הלאומי של צרפת (CNRS) בעיר טולוז בצרפת.

“יואכים, ראש הקבוצה לננו-מדעים ופיקוטכנולוגיה, מתאם כיום צוות חוקרים מחמישה-עשר מכוני-מחקר תעשייתיים ואקדמיים באירופה שעבודה פורצת-דרך שלו בדבר חלופה מולקולארית לטרנזיסטורים הביאה את החזון למחשוב אטומי צעד אחד קרוב יותר למציאות. המאמצים שלהם, המשך העבודה שהחלו עוד בשנת 1990, ממומנים היום ע”י האיחוד האירופי.

במיקרו-מעבדים רגילים – ה”מנוע” של מחשבים מודרניים – טרנזיסטורים הינם יחידות המבנה החיוניות למעגלים דיגיטאליים ביוצרם שערים לוגיים המעבדים אותות של “שקר” (0) או “אמת” (1). בכדי להפיק שער לוגי יחיד נדרשים מספר טרנזיסטורים, ומיקרו-מעבדים מודרניים מכילים מיליארדים שלהם, שכל אחד מהם הינו בגודל של 100 ננומטרים.

הטרנזיסטורים ממשיכים להיות ממוזערים מאז תחזיתו המפורסמת של מייסד חברת אינטל Gordon E. Moore בשנת 1965 כי המספר שניתן יהיה למקם על מעבד יחיד יוכפל, באופן גס, מדי שנתיים. אולם לא מן הנמנע שתגיע נקודת זמן שבה חוקי הפיסיקה הקוונטית יגבילו ויתחמו כל אפשרות למזעור נוסף בשיטות הקיימות דהיום. בנקודה זו מתחילים לפעול מחשבים בקנה-מידה אטומי בשיטות שונות לחלוטין לפתרון מגבלה זו.

“ננוטכנולוגיה הינה היכולת לקחת רכיב פיסי ולמזער אותו לגודל הקטן ביותר האפשרי. זו גישה של “מלמעלה-למטה” (top-down),” מציין החוקר. הוא וצוות המחקר שלו הופכים על-פניה את הגישה הזו תוך התחלה מהאטום הבודד, הפרודה וההבנה האם חלק זעיר כל-כך של חומר יוכל להוות שער לוגי, מאגר זיכרון וכדומה. “זוהי גישה של “מלמטה-למעלה” או, כפי שאנו קוראים לכך, “למטה-למטה” מכיוון שאיננו מעוניינים להגיע לקנה-המידה של החומר עצמו,” הוא מסביר.

הקבוצה של יואכים התמקדה בלקיחת פרודה יחידה ובנייה ממנה “למעלה” רכיבי מחשוב, כאשר היעד הסופי שלהם הינו בניית שער לוגי בפרודה יחידה.

כמה אטומים צריך בכדי לבנות מחשב?

“השאלה ששאלנו את עצמנו הייתה כמה אטומים צריך בכדי לבנות מחשב?” מסביר יואכים. “זה דבר שאיננו יכולים לענות עליו כעת, אולם אנו רוכשים הבנה טובה יותר לגביה.”

הצוות הצליח לבנות שער לוגי פשוט בעל 30 אטומים המסוגל לבצע משימה שוות-ערך לארבעה-עשר טרנזיסטורים, תוך כדי חקר הארכיטקטורה, הטכנולוגיה והכימיה שנדרשו להשגת כוח-מחשוב שכזה בתוככי פרודה יחידה.

הקבוצה מתמקדת בשני מבנים עיקריים: אחד המחקה את המערך הטיפוסי של שער לוגי אולם בצורה אטומית, בכללם צמתים, מעגלים, רשתות וכו' ושני, מורכב יותר – תהליך הנסמך על שינויים של קונפיגורציית הפרודה לקבלת הקלט של השער הלוגי ומכניקה קוונטית לשם ביצוע החישובים עצמם.

השערים הלוגיים מחוברים בינם לבין עצמם בעזרת מיקרוסקופ מנהור סורק (Scanning Tunneling Microscope, STM) ומיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic Force Microscope, AFM) – מכשירים בעלי כושר-הפרדה של מאית הננומטר המסוגלים למדוד ולהזיז אטומים בודדים. כמיזם צדדי, שבחלקו נבע מכיף טהור וחלקו מהעניין לפתח אפיקי מחקר חדשים, החוקר וצוותו השתמשו בשיטה בכדי לבנות ננו-מכונות כגון חישוקים, גלגלי-שיניים, מנועים וננו-רכבים המכילים כל אחד מהם פרודה יחידה.

“מקם בהם שערים לוגיים והם יוכלו להחליט לאן לנוע,” מסביר יואכים, בהצביעו על מה שיוכל להיות היישום העולמי הראשון של רובוטיקה בקנה-מידה אטומי.

חשיבות המחקר של הקבוצה הזו הביאה להכרה נרחבת בקהילייה המדעית, למרות שיואכים נזהר ומציין כי זהו תחום מחקר בסיסי ביותר. ייקח קצת זמן לפני שיישומים מסחריים ינבעו ממחקר זה. אך יש להם ביטחון מלא בכך.

“מיקרואלקטרוניקה זקוקה לנו באם שערים לוגיים – ובעקבותיהם מיקרו-מעבדים – ימשיכו להיות ממוזערים,” מציין יואכים.

ידיעת מכון המחקר הצרפתי