در طی چند سال اخیر، حرکت رو به رشد پردازنده [Processor] یا همان مغز پردازشگر رایانه‌‌، از لحاظ توانایی و سرعت دچار افت قابل توجهی گردیده است. علاوه بر این شرکت‌های تولید کننده نیز ترجیح می‌دهند به جای افزایش توانایی یک پردازنده، از چند پردازندهٔ هم زمان و در کنار هم استفاده کنند. پرسشی که اغلب در ذهن کاربران رایانه‌‌ مطرح می‌شود این است که آیا پردازنده‌های رایانه‌‌ از نظر توانایی به مرزهای نهایی خود رسیده‌اند؟ آیا انسان قادر نیست پردازنده‌ای با توانایی بیشتر تولید کند؟ قبل از پاسخ به پرسش‌های بالا، تعریف کوتاهی از پردازنده‌های رایانه‌‌ ضروری به نظر می‌رسد.

تزانزیستور

توانایی یا سرعت پردازنده، رابطه‌ای مستقیم با تعداد و اندازهٔ ترانزیستورهای استفاده شده در آن دارد. ترانزیستور از مواد نیمه هادی ساخته می‌شود و یکی از کاربردهای مهم آن در الکترونیک، کلید [Switch] است. یعنی با اعمال جریان کنترل شدهٔ الکتریسیته به آن، رسانای جریان برق می‌شود. این کلید الکترونیکی، قطعهٔ اصلی تشکیل دهندهٔ یک پردازنده است و وظیفهٔ ذخیره‌سازی دو حالت «٠» و «۱» (واحد پردازش در الگوریتم دیجیتال) را بر عهده دارد. با ترکیب چندین و چند ترانزیستور در یک مدار، می‌توان یک عملیات منطقی (مانند جمع، ضرب) انجام داد. اولین پردازنده‌های پیشرفته در دههٔ هفتاد با استفاده از تکنولوژی لیتوگرافی تولید شدند. لیتوگرافی مجموعه‌ای از فرآیندهای پیچیدهٔ شیمیایی است که این امکان را می‌دهد تا انبوهی از ترانزیستورها بر روی یک لایهٔ بسیار نازک تشکیل شده از مواد رسانا و نیمه‌رسانا ( برای نمونه با ترتیب مس و سیلیکون) ساخته شوند و در ادامه از قرار گرفتن چندین لایهٔ نازک بر روی هم، مدار الکترونیکی یک پردازنده ساخته می‌شود. بدیهی است با افزایش تعداد ترانزیستورها توانایی پردازنده در انجام عمل‌های منطقی و ذخیرهٔ بیشتر اطلاعات بالا می‌رود.

هر چه ترانزیستور از نظر ابعاد کوچکتر شود، قادر خواهد بود با فرکانس‌های بالاتری کار کند؛ به عبارتی دیگر با سرعت بیشتر روشن یا خاموش شود. مزیت دیگری که کوچک سازی ترانزیستور به همراه دارد این است که می‌توان تعداد بیشتری از آن را در پردازنده به کار برد و در نتیجه سبب افزایش توانایی پردازنده در انجام عملیات‌های منطقی بیشتر در مدت زمان کوتاه‌تری شد. برای مثال پردازندهٔ «(Bloomfield) Core i7» که توسط شرکت «اینتل» ـ‌یکی از قویترین تولیدکنندگان این محصول‌ـ در اواخر سال  ۲۰۰۸ به بازار عرضه شد در حدود ۷۳۱ میلیون ترانزیستور ۴۵ نانومتری (ده به توان منفی نه * ۴۵ متر) در خود جای داده است. این پردازنده با سرعت میانگین ۳ گیگاهرتز قادر است در هر ده به توان منفی ده * ۳ ثانیه یک عملیات منطقی انجام دهد.

با پیشرفت علم و احتیاج بشر به حل مسایل پیچیده‌تر و در همین راستا پیشرفت صنعت نرم افزار، نیاز کاربران رایانه‌‌ به پردازنده های قوی‌تر روز به روز بیشتر گردید. این مسله سبب شد تا تولیدکنندگان پردازنده در رقابتی بزرگ با یکدیگر و با صرف هزینه‌های گزاف و سرمایه‌گذاری روی صنعت کوچک‌سازی ترانزیستور یا همان «مینیاتوری‌سازی» هر روز محصول جدیدی با توانایی بیشتر به کاربران معرفی کنند. یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل به نام «گوردن مور» در سال ۱۹۶۵ به این نتیجه رسید که با توجه به امکانات علمی و اقتصادی موجود، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده در پردازنده‌های رایانه‌‌ در هر ۱۸ ماه دو برابر می‌شود. این اصل بعدها به «قانون مور» معروف شد.

در حال حاضر به نظر بسیاری از دانشمندان علم فیزیک و با توجه به تکنولوژی ساخت، پردازنده‌ها تا سال ۲۰۲۰ به مرزهای فیزیکی خود خواهند رسید و ساخت محصولی با ترانزیستورهای کوچک تر امکان‌پذیر نخواهد بود. به بیان ساده، مرز فیزیکی، ترانزیستوری با تنها ۱۰۰ اتم (کوچکتر از ویروس‌های عامل بیماری در بدن انسان) خواهد بود. در این شرایط به دلیل تاثیر‌پذیری زیاد ترانزیستور از واکنش‌های درون اتمی، اطمینانی به عملکرد درست آن در ذخیرهٔ اطلاعات نیست. از طرف دیگر ساخت پردازنده‌ای با ترانزیستورهای ۱۰۰ اتمی، نیاز به فرآیندهای پیچیده‌تر و صرف هزینه ای بیشتر دارد که برای شرکت‌های تولید کننده مقرون به صرفه نیست. علاوه بر این امروزه کاربران رایانه نیز همچون گذشته نیاز مبرمی به پردازنده‌های قوی‌تر ندارند و نرم‌افزارهای موجود هم از تمام توان پردازنده‌ها استفاده نمی‌کنند.

نمودار افزایش تعداد ترانزیستورها در پردازشگرها با گذشت زمان

دانشمندان از چند دههٔ پیش با نیم‌نگاهی به آینده و اینکه انسان با مسایلی روبرو خواهد شد که پردازنده‌های ترانزیستوری توانایی انجام آن‌ها را نخواهند داشت، تحقیقاتی را به منظور یافتن فن‌آوری‌های جایگزین برای ساخت پردازنده شروع کرده‌اند. از جمله این فن‌آوری‌ها می‌توان به بهره‌گیری از فیزیک کوانتوم اشاره کرد که دانشمندان توانسته‌اند با دست بردن در ساختار درونی اتم، پردازنده‌ای چندین برابر قوی‌تر از پردازنده‌های ترانزیستوری ابداع کنند. در این نوع پردازنده از الگوریتم کوانتومی به جای الگوریتم دیجیتال استفاده می‌شود و با تغییر موقعیت الکترون‌ها (اسپین) در اتم به وسیلهٔ محرک لیزر، حالت‌های «٠» و «۱» و یا «هیچ‌کدام» ذخیره می شوند. با وجود ساخت چند مدل از این پردازنده‌ها در آزمایشگاه، هنوز اشکال‌هایی بر آن‌ها وارد است. برای مثال ارتعاشات مکانیکی می‌توانند سبب بر‌هم‌زدن نظم الکترون‌ها و در نهایت از دست رفتن اطلاعات ذخیره شده در آن‌ها شوند. اما شرکت‌های تولید کننده امیدوار هستند تا با برطرف کردن مشکلات موجود بر سر راه تولید انبوه این پردازنده‌ها، آن‌ها را جایگزین فن‌آوری ترانزیستورهای سیلیکونی کنند.

نمونه‌ای از یک پردازنده کوانتومی با ۱۲۸ کوبیت (Qubit)

در سال ۲۰۰۷ شرکت «آی‌بی‌ام» از فن‌آوری جدیدی در صنعت ساخت پردازنده‌ها پرده برداشت و آن هم پردازندهٔ مولکولی بود. پژوهشگران این شرکت در تلاش هستند تا با پیوند دادن «دی‌ان‌ای»های مولکول‌ با نانو شبکه‌های رسانای کربنی، پایه‌های ساخت این نوع پردازنده را فراهم کنند. به دلیل کوچک بودن بیش از حد تصور (نزدیک به ۲ نانومتر) این ساختار، تولید این نانو پردازشگر به فرآیندهای پیچیده‌ای نیازمند است. نحوهٔ عملکرد این نانو پردازشگر بر اساس ذخیرهٔ اطلاعات بر روی «دی‌ان‌ای»ها می‌باشد و این امر سبب می‌شود که این پردازنده‌ها تا ۵۰۰ مرتبه کوچکتر از پردازنده‌های کنونی گردند. استفاده از شبکه های نانوکربن، این اجازه را می‌دهد تا پردازندهٔ کوچکتر و سریع‌تری داشته باشیم.

نظر به توسعهٔ روزافزون در تمام حوزه های علم و فن‌آوری، می‌توان ادعا کرد که قانون مور همچنان معتبر خواهد ماند.

منابع:

۱- http://www.welt.de/print-welt
2- “Next generation processors from Big Blue” http://artechnic.wordpress.com
3- “IBM Is Working on DNA-Based processors” http://news.softpedia.com
4- http://download.intel.com/museum/Moores_Law/Printed_Materials/Moores_Law_Backgrounder.pdf
5- Reston, Pub. Co., 1978 Charles, F. Wojslaw Integrated circuits: theory and applications
6- Springer, 2003 Wolfgang Fahrner Nanotechnologie und Nanoprozesse: Einführung, Bewertung bei
7- http://www.tu-chemnitz.de/seniorenkolleg/v4/archiv/Bewertg/070127-Miniaturisierung.pdf
8- http://www.iwi.uni-hannover.de/lv/seminar_ws04_05/html/Nr17_Demirbilek/yeniHPC/kap3.htm