قطعات نانو؛ آينده شبکه هاي ارتباطي

انتظار مي رود در آينده اکتشافات جديد در زمينه نانوذرات، نقش مهم و پايايي در زمينه ارتباطات بازي نمايند. قطعات و سيستم هاي مخابراتي فوق سريع دوربرد و کوتاه برد، ماشين هاي محاسباني قابل حمل و کم مصرف، حافظه و مدارات منطقي با تراکم بالا، مدارات مخابراتي فوق سريع، قطعات خودکار و پرقدرت جاذب و ذخيره ساز انرژي. وجود تمامي اينها بستگي به موفقيت هاي دانشمندان در توليد نسل جديد نانوذرات دارد. اين مقاله برخي از پيشرفت هاي هيجان انگيز اخير در زمينه نانو ذرات را که نقش مهمي در آينده شبکه ارتباطي خواهند داشت، مرور مي کند.

مقدمه:

در طي دو دهه اخير، پيشرفت هاي شگرفي در کنترل و مهندسي مواد جديد (در مقياس نانومتر) نظير ساختارهايي از مرتبه اتم ها، مولکول ها و ابرمولکول ها صورت گرفته است. ايجاد چنين ساختارهايي نويدبخش پديد آمدن قطعاتي مينياتوري با مقياس هاي قابل تغيير، براي سيستم هاي الکترونيکي، فوتونيک، مغناطيسي، الکترو مکانيکي با بازدهي انرژي بالا (به منظور انتقال محاسبات و ارتباطات) در آينده مي باشند. هدايت ارتباطات آينده به طور معقولانه به سويي که انتقال اطلاعات و داده ها به سادگي و با آهنگ بيشتري براي سامانه هاي فراگير در منازل و ادارات و حتي مکان هاي عمومي صورت پذيرد، کليد پيشرفت در همه زمينه مذکور مي باشد. در حال حاضر، اين نانو قطعات براي پردازنده هاي مينياتوري، حافظه، مدارها، پيونددهنده ها (Interconnects)، و سيستم هاي محاسباتي آينده با قابليت شارژ خودکار و با ظرفيت بالا و باور نکردني دريافت اطلاعات، بازدهي فوق العاده انرژي، و قابليت تغيير مقياس جاي خود را در بين مهندسان فن آوري هاي جديد باز کرده و ديگر موضوعاتي صرفا تحقيقاتي نيستند. شکي نيست که تلاش ها در زمينه هاي مختلف علمي و موفقيت هاي چشمگير در ورود نانوذرات و نانو قطعات به عرصه هاي مختلف تجارت در آينده پتانسيل زيادي را در زمينه هاي اقتصادي فراهم مي کند که مي توان آن را با فن آوري ارتباط از راه دور(Telecommunication) در دهه 90 و رشد فنآوري اطلاعات (IT) در دهه اخير قابل قياس دانست.

در اين مقاله ما تلاش خواهيم کرد تا به صورت فشرده نو آوري هاي انجام گرفته در زمينه نانو ذرات و نانو قطعات را مرور کنيم و گسترده اي از عامل هاي حياتي در تضمين موفقيت فنآوري ارتباطات آينده و شبکه حسگرهاي هوشمند را مطرح مي سازيم.

نانوذرات براي قطعات مورد نياز مخابرات افزايش تقاضا براي اتصال بي سيم، بوسيله سيستم هاي هوشمند فراگير و دريافت اطلاعات بطوري که شخص، محدود به مکان هاي خاصي نباشد، اين نياز را بوجود آورده است که آهنگ ارسال اطلاعات بيشتر گردد. براي دست يابي به اين مهم بايد حافظه و قابليت پردازش و محاسبات در قطعات مورد نياز در حوزه مخابرات افزايش يابد؛ در عين حال شکل کوچک اين قطعات حفظ شود و توان مصرفي آنها پايين باقي ماند براي بيشتر از يک دهه است که فعاليت هاي مربوط به اين زمينه، بر روي بهبود فناوري نقاط اتصال داخل تراشه و بين تراشه اي و ارتباطات Board- Board متمرکز شده است. اين کار بوسيله کاهش مقاومت رساناها نظير مس و هم چنين کاهش ثابت دي الکتريک مواد با بکارگيري پليمرهايي که داراي ضريب دي الکتريک پايين (Iow- K Polymers) دارند، قابل دست يابي است. چون آهنگ ارسال اطلاعات حدود ده ميليارد بر ثانيه است، از طرفي ابعاد مسير آزاد الکترون در يک سيم مسي در دماي اتاق، حدود 40 نانومتر مي باشد؛ در نتيجه مقاومت داخلي سيم هاي پيوند دهنده بين قطعات، بسيار زياد خواهد بود. دليل وجود اين مقاومت داخلي بالا در سيم مسي، وجود نقص و ناخالصي در شبکه بلوري مس مي باشد، به طوري که ارسال سيگنال ها حتي براي فاصله کوتاه 50 سانتي متر، از ميرايي بالايي برخوردار خواهد بود و اين سبب افزايش پراکندگي گرمايي مي شود (يادداشت مترجم: ساختار دروني فلزات به صورت يک شبکه کريستالي و منظم است که اتم ها در مکان هاي خاصي قرار دارند و الکترون هاي رسانشي در فضاي آزاد، بين اتم ها حرکت مي کنند ولي به سبب ناخالصي و نقص هاي شبکه، برخي اتم ها از ساير عناصر به جاي اتم اصلي در شبکه منظم بلوري قرار مي گيرند، بدين ترتيب مسيرهاي آزاد براي حرکت الکترون رسانش بوسيله اين اتم ها مختل مي گردند الکترون هاي رسانش در برخورد با اين اتم ها از مسير اوليه خود خارج مي شوند، هر چه ميزان پراکنندگي به سبب نقص شبکه بلوري فلز بيشتر باشد. جريان خروجي کمتري خواهيم داشت اين دقيقا همان مفهوم مقاومت الکتريکي مي باشد. انرژي که توسط الکترون حمل مي شد در برخورد با اتم ها جذب مي شود و اين سبب بالا رفتن دماي فلز و در نتيجه نوسانات با دامنه بزرگ تر اتم ها در جاي خود مي گردند که اين نيز به نوبه خود احتمال برخورد اتم ها با الکترون هاي ديگر رسانشي را افزايش مي دهد. يعني با بالا رفتن دما مقاومت الکتريکي بيشتر مي شود) بنابراين سيم هاي رابط بين قطعات، يکي از بزرگ ترين مشکلاتي است که سيستم ها در مقياس گيگا(Gigascale systems) با آن مواجه اند. در حال حاضر، بيشتر از 70 درصد خازن هاي موجود بر روي تراشه ها با کارآيي بالا بوسيله چنين رابطه هايي با يکديگر در ارتباطند، و توان ديناميکي پراکنده شده در چنين رابط هايي بيشتر از آنچه که در يک ترانزيستور اتفاق مي افتد، مي باشد.

بنابراين، سيم هاي مذکور مانع بزرگي در جهت پيشرفت سيستم هاي پردازشگر بسيار بزرگ آينده خواهند بود مقاومت، ظرفيت، القاي مزاحم مربوط به پيونددهنده هاي مسي، باعث پايين آمدن کارآيي کامپيوترها مي گردد و به طور افزاينده اي سد راه توسعه فن آوري ريزپزدازنده هاي فوق العاده کوچک ULSI هستند، (ULSI Ultra-Large- Scale Integration)، ابتدا تاخير سيگنال ها در سيم هاي رابط افزايش مي يابد و اين امر تبديل به يک محدوديت ذاتي براي سرعت مدارهاي ديجيتالي مي گردد که نتيجه آن پايين آمدن سرعت ريزيزدارنده ها مي باشد. به نظر نمي رسد فناوري هاي حال حاضر راه حل مناسبي براي رفع اين مشکلات در دست داشته باشد، در نتيجه نياز به تکنيک هاي جديد و نوآوري براي شکستن سد بزرگ رابط هاي مسي احساس مي شود. يکي از راه هاي ممکن براي حل اين مشکل استفاده از رابط هاي Photonic و رابط هاي نوري فضا- آزاد (Free- Space) مي باشد.

رابط هاي فوتونيک مانند موجيرهاي اپتيکي يا فيبرهاي نوري مي توانند داده هاي ديجيتالي را با ظرفيتي تا سه برابر داده هاي منتقل شده توسط رابط هاي الکترونيکي، منتقل نمايند. بر خلاف داده هاي الکترونيکي، سيگنال هاي نوري مي توانند تا ده ها کيلومتر بدون ميرايي و يا پراکنش، به مقصد منتقل گردند (توضيح مترجم: سيگنال هاي نوري منتقل شده توسط فيبرهاي نوري در مدهاي مختلف انجام مي پذيرد، اين فيبرهاي نوري از موادي خاص و بدون هيچ گونه عامل اعوجاج توليد مي گردند، که به صورت دو لايه، سه لايه و ... ساخته مي شوند که با توجه به فرکانس نور، مد خاصي توان عبور از اين فيبرها را دارد و بر اساس قانون شکست و بازتاب کلي در بين لايه ها منتشر مي گردد، اگر درباره شفافيت اين فيبرها بخواهيم مثالي بزنيم  مي توان آن را با شيشه معمولي مقايسه کنيم، اگر شيشه اي معمولي به ضخامت 1 متر توليد کنيم و آن را در مقابل پنجره قرار دهيم درصد بسيار کمي نور از آن سوي شيشه به شما خواهد رسيد. در صورتي که شيشه ساخته شده از جنس فيبر نوري تقريباً 99 درصد از نور را به خوبي عبور مي دهد و از شدت آن نمي کاهد، حتي اگر شيشه اي به ضخامت 1 کيلومتر با اين مواد تهيه  شود باز هم تا حدود 50 درصد نور به سوي ديگر خواهد رسيد).

اين فناوري با نام WDM شناخته مي شود (WDM:Wavelength-Division Multiplexing). امروزه 40 سيگنال مجزا که آهنگ ارسال هر يک به تنهايي برابر 10 گيگا بايت بر ثانيه است را مي توان به طور همزمان از طريق يک فيبر نوري به قطري برابر با قطر تار موي انسان ارسال نمود. عليرغم تمام ويژگي هاي مثبتي که از پيوند دهنده هاي نوري بر شمرديم، دليل مهمي که هنوز اين پيوند دهنده ها جايگاه خود را در صنعت باز نکرده اند، قيمت بالا، ابعاد بزرگ آنها، و همچنين مشکل بکارگيري آنها با CMOS در طراحي مدار مي باشد، (CMOS.Complementary Metal Oxide Semiconductor)، قطعات پيوند دهنده نوري امروزي از مولفه هاي ويژه اي نظير آرسنيد گاليم (GaAs)، فسفيد اينديوم (InP)، نيوبات ليتيم (LiN)، و مواد عجيب و غريب ديگر ساخت مي شوند، به همين دليل نمي توان آنها را به سادگي در چيپ هاي سيليکوني بکار گرفت. اين امر سبب شده تا ساخت مدار با پيونددهنده هاي نوري مشکل باشد زيرا مسيرهايي که نور بايد در آنها منتشر شود بايد با دقتي از مرتبه ميکرومتر مشخص شوند. بايد در نظر داشت پيوند دهنده هاي نوري زماني در عرصه صنعت وارد شدند که براي نيم قرن است که صنعت الکترونيک با اختراع مدارهاي مجتمع (TC) يکه تاز ميدان است. منطقي ترين راه براي پيوند دهنده هاي نوري حرکت به سمت فروش عمده (Mass Marketing) و ارائه يک پکيج نوين، توليد انبوه آن با قيمت پايين مي باشد. خوشبختانه اخيرا، چندين نانو ذره و روش ساخت در مقياس نانو، نقش مهمي در مجتمع سازي قطعات نوري مختلف بر روي صفحه سيليکوني دارند