آیا مدارهای گرافینی ادامه حیات قانون مور را امکان‌پذیر می‌کنند؟
با گذشت زمان، افراد بیشتری به زندگی در شهرها تمایل نشان می‌دهند و این سؤال مطرح می‌شود که برنامه‌ریزان شهری و سازندگان ساختمان چه برنامه‌هایی برای تطبیق با شرایط جدید در سر می‌پرورانند؟ در این زمینه، اقداماتی می‌توان انجام داد؛ مثلا در آغاز کار، برنامه‌ریزان شهری و سازندگان ساختمان می‌توانند شهرها را بزرگ‌تر کنند و مرزهایش را گسترش دهند تا زمین اطراف نیز به بخشی از شهر تبدیل و خانه‌های بیشتری ساخته شود.
مسئولان ممکن است فاصله‌ی بین خانه‌ها را کاهش دهند تا بتوان تعداد بیشتری ساختمان یک و دو طبقه درون هر خیابان جای داد؛ بااین‌حال در نقطه‌ای مشخص، صرفا یک راه‌حل وجود دارد: ساخت ساختمان‌های بزرگی که می‌توانند صدها نفر را در خود سکونت دهند. با این کار، فضای اشغال‌شده کاهش پیدا می‌کند و می‌توان افراد بیشتری را درون شهر جای داد.
براساس مقاله‌ی دیجیتال ترندز آنچه گفتیم، می‌توان به حوزه‌ی تراشه نیز تعمیم داد. درواقع به‌گفته‌ی کارشناس این وب‌سایت، تراشه‌سازان نیز با مشکلات مشابهی مواجه هستند. قانون مور پیش‌گویی معروف گوردون مور است. او اعلام کرده بود تعداد اجزای هر مدار مجتمع در دوره‌ی زمانی پیش‌بینی‌شده به‌طور مرتب دوبرابر می‌شود. این بازه‌ی زمانی در ابتدا ۱۲ ماه در نظر گرفته شده بود؛ اما بعدعا به ۲۴ ماه رسید.
قدرت قانون مور انکارناپذیر است. برای مثال، سال ۱۹۷۱ اینتل ۴۰۰۴ را عرضه کرد. در آن زمان، ۴۰۰۴ نخستین ریزپردازنده‌ی تجاری دنیا لقب گرفت و ۲،۳۰۰ ترانزیستور را درون تراشه‌ای واحد جای می‌داد. در مقام مقایسه، پردازنده‌ی A14 Bionic اپل در سال ۲۰۲۱ میزبان ۱۱٫۴ میلیارد ترانزیستور است. برای اینکه بفهمید میزان پیشرفت صنعت تراشه چقدر زیاد بوده، بهتر است مثالی بزنیم. اگر حداکثر سرعت خودروها پیشرفت مشابهی تجربه می‌کرد، خودروهای امروزی باید می‌توانستند با سرعتی فراتر از سرعت نور حرکت کنند.
وقتی بحث به تولید پردازنده‌های نسل بعد می‌رسد، تراشه‌سازان همچون برنامه‌ریزان شهری سه گزینه پیش روی خود دارند:
- تراشه‌سازان می‌توانند تراشه‌ها را بزرگ‌تر کنند تا بتوان قطعات بیشتری درون آن‌ها جای داد؛
- تراشه‌سازان می‌توانند ابعاد قطعات روی تراشه را کاهش دهند و این قطعات را در فاصله‌ی نزدیک‌تر روی تراشه پیاده‌سازی کنند؛
- تراشه‌سازان می‌توانند رویکردی مشابه ساخت برج‌های چند طبقه در پیش بگیرند.
بررسی صنعت تراشه نشان می‌دهد آخرین روش در اکثر مواقع اولویت کمتری درمقایسه‌با روش‌های دیگر دارد. در سال‌های اخیر، ابعاد قطعات روی تراشه‌ها به‌طور باثباتی کاهش پیدا کرده و اکنون به دورانی رسیده‌ایم که ابعاد هر ترانزیستور حدودا معادل ۱۲ اتم است و آن‌قدر فاصله‌ی کمی به هم دارند که با واحد نانومتر اندازه گرفته می‌شود.
بااین‌حال، روند فعلی نمی‌تواند تا ابد ادامه پیدا کند. برای اینکه بتوانیم بهبودهای نسلی را ادامه دهیم، دربارهی راه‌های ساخت پردازنده‌های قدرتمندتر باید متفاوت فکر کنیم. بسیاری از محققان در سراسر دنیا روی این مسئله در حال کار هستند که از بین آن‌ها تیمی متشکل از محققان بین‌المللی ایده‌ی جالبی مطرح کرده است. اعضای این تیم استفاده از گرافین را برای تولید ترانزیستورهای روی تراشه‌ها پیشنهاد می‌دهند. گرافین را می‌توان آسمان‌خراش‌های دنیای ترانزیستور دانست.
مانوج تریپاتی، از اعضای دانشگاه ساسکس بریتانیا، در کنفرانسی ویدئویی تصویری به‌نمایش گذاشت که بسیار جالب به‌نظر می‌رسد. این تصویر سطح صاف آبی‌رنگی را نشان می‌دهد که روی آن موجی در حال برخاستن است. اگر دربارهی تخصص مانوج تریپاتی اطلاعاتی نداشتیم، به‌سادگی می‌گفتیم او اقیانوس‌شناس است. تریپاتی یکی از اعضای تحقیقاتی دانشکده‌ی علوم ریاضی و فیزیک در دانشگاه ساسکس محسوب می‌شود و علاقه‌ی شگرفی به صنعت نیمه‌هادی و مواد دوبعدی و قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر دارد. جدیدترین پروژه‌ی او که موضوع اصلی این مقاله است، هر سه را با‌هم ترکیب می‌کند.
گرافین لایه‌ای از گرافیت (ماده‌ی نرم موجود در نوک مداد) است که ضخامت بسیار کمی دارد و در آن اتم‌های کربن در آرایش شش‌ضلعی شبیه به شانه‌ی عسل درکنارهم قرار گرفته‌اند و ضخامت گرافین برابر با یک اتم است. متخصصان می‌گویند گرافین در حوزه‌های پرتعدادی کاربرد دارد و در بین قوی‌ترین مواد شناخته‌شده در دنیا قرار می‌گیرد. گفتنی است استحکام گرافین تقریبا ۱۰۰ برابر بیشتر از فولاد است.
گرافین ابررسانای بسیار قدرتمندی است و جریان برق را با مقاومت صفر از درون خود عبور می‌دهد. گرافین را می‌توان به‌عنوان بهترین غربالگر دنیا استفاده کرد؛ زیرا این ماده می‌تواند نمک را از آب شور یا رنگ را از اسکاچ جدا کند. این‌ها تنها برخی از کاربردهای پرتعداد گرافین هستند.
تریپاتی در گفت‌و‌گو با دیجیتال ترندز اعلام کرد آنچه کمتر دربارهی گرافین صحبت شده، این است که ماده‌ی بسیار انعطاف‌پذیری محسوب می‌شود؛ به‌همین‌دلیل، او و اعضای تیمش در پروژه‌ی جدیدشان روی انعطاف‌پذیر‌بودن گرافین حساب باز کرده‌اند. تریپاتی ادامه می‌دهد: «منظور از انعطاف‌پذیر‌بودن این است که می‌توانید گرافین را خم یا مچاله کنید و کارهای این‌چنینی انجام دهید.» تریپاتی برای به‌تصویر‌کشیدن کارهای این‌چنینی، در تماس ویدئویی نشان داد پارچه‌ای تولید و از آن برای تمیز‌کردن رایانه‌اش استفاده می‌کند.
ترانزیستورهای گرافینی تقریبا ۱۰۰ برابر کوچک‌تر از ترانزیستورهای عادی هستند
البته بسیاری از مواد‌اولیه انعطاف‌پذیر هستند؛ اما آنچه باعث می‌شود انعطاف‌پذیر‌بودن گرافین تا این حد جذاب باشد، آن است که وقتی روی سطح آن چین‌خوردگی ظاهر می‌شود، گرافین می‌تواند جریان الکترون‌ها را تغییر دهد. بدین‌ترتیب، مشخصه‌های الکتریکی ماده در بخش‌های مختلف ممکن است متفاوت باشد.
با استفاده از تکنیکی موسوم به میکروسکوپیِ نیروی اتمی (Atomic Force Microscopy)، محققان می‌توانند اثرهای الگوهای مختلف چین‌خوردگی را در گرافین اندازه‌گیری کنند. با تکیه بر این چین‌خوردگی‌ها که هر‌کدام مشخصه‌ی الکتریکی و مکانیکی متفاوتی دارند، محققان می‌توانند ترانزیستورهای بسیار کوچکی را از جنس گرافین تولید کنند.
دقیقا در همین‌جا است که استعاره‌ی ساختمان چندطبقه وارد معادله می‌شود. تریپاتی می‌گوید: «این دقیقا همان کاری است که ما انجام می‌دهیم. ابعاد تراشه هر سال کاهش پیدا می‌کند؛ بااین‌حال، مشکلی برای سازگارکردن ترانزیستورها با شرایط وجود دارد... راه‌حل چیست؟ باید سراغ استفاده از محور Z برویم؛ یعنی همان ساختمان‌های چندطبقه تا بتوانیم تعداد بیشتری از ترانزیستورها را در هر ناحیه جای دهیم.»
تفاوت ارتفاع هر مجموعه در زیر میکروسکوپ مشاهده‌شدنی خواهد بود؛ اما با چشم غیرمسلح چنین چیزی دیده نمی‌شود. درحقیقت، ترانزیستور ساخته‌شده با استفاده از این تکنیک تقریبا ۱۰۰ برابر کوچک‌تر از ترانزیستورِ مقایسه‌شدنی‌ای است که روی تراشه‌ای عادی حضور دارد. در‌حال‌حاضر، مراحل اولیه‌ی پروژه در حال سپری‌شدن است. تا پیش از ورود تکنیک جدید به درون تراشه‌های واقعی، کارهای بسیار زیادی باید انجام شود. برای مثال، یکی از مشکلات به ثبات چین‌خوردگی‌های سطح گرافین ارتباط دارد. این چین‌خوردگی‌ها برای دریافت بازده‌ی باثبات از تراشه حیاتی هستند.
لایه‌ی اتمی مولیبدن دی‌سولفید (MoS2) درحال نمایش چین‌خوردگی‌ها
محققان توانسته‌اند با استفاده از قالب‌هایی طرح‌دار، ردیف‌هایی از چین‌خوردگی‌های گرافینی را بسازند؛ بااین‌حال، همچنان مشکلاتی وجود دارد. تریپاتی می‌گوید: «ایجاد چین‌خوردگی مشکل‌ساز نیست؛ بلکه ایجاد چین‌خوردگی‌های باثبات برایمان مشکل است.» وی در‌ادامه اضافه می‌کند چین‌خوردگی‌ای که قرار است ارتفاع عمودی‌اش چهار نانومتر باشد، تحرک دارد و گاهی اوقات ارتفاعش به هشت نانومتر و گاهی اوقات به سه نانومتر می‌رسد. تریپاتی باور دارد حل‌کردن این مشکل امکان‌پذیر است؛ اما برای عملی‌کردن این هدف، باید متفاوت فکر کرد.
خوشبختانه تریپاتی می‌گوید تیمی متشکل از دانشمندان برجسته‌ی ایالات متحده‌ی آمریکا، بریتانیا، یونان و ایتالیا در تلاش‌اند راهکاری پیدا کنند. تریپاتی اعتقاد دارد اگر افراد مناسب از این رویکرد استفاده کنند، می‌تواند به گسترش چشمگیر قانون مور منتهی شود. تریپاتی اضافه می‌کند: «برای اینکه در یک کلمه به شما پاسخ دهم، می‌گویم اعتقاد دارم دستیابی به این هدف امکان‌پذیر است.» محققان می‌خواهند در مدت پنج سال، تراشه‌ای با استفاده از ترانزیستور گرافینی بسازند.
مقاله‌ای که مراحل تحقیقات تریپاتی و اعضای تیمش را تشریح می‌کند، اخیرا در مجله‌ی ACS Nano منتشر شده است.