PC’den 10.000 Kat Hızlı Mikroskobik Bilgisayar Üretildi >> Nano-elektronik işlemciler 245 THz hızında

Başlığı okuduğunuzda muhtemelen kendinize bu bilgi benim ne işime yarayacak diye sordunuz. Aslında mikroskobik bilgisayarlar cihazların küçülmesiyle ilgili. Bugün iyi bir oyun bilgisayarı 1200 Watt güç kaynağı gerektiriyor ve masada yer kaplıyor. Oyun oynamıyorum derseniz laptoplar çantada, tabletler de elde ağırlık yapıyor.

Bütün bu pahalı aletler fazla elektrik tüketiyor ve en ufak darbede bozuluyor. Oysa giysilerimiz, hatta insan derisindeki hücreler “organik bilgisayar” olsaydı, elimizde telefon taşımak zorunda kalmayacaktık. Tişört gibi giyilebilen süper ucuz bilgisayarların bakımını yapmak da makinede çamaşır yıkamak kadar kolay olacaktı.

İşte bunun için mikroskobik bilgisayarlara ihtiyacımız var ve Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) araştırmacıları buna çözüm getirmek üzere 245 terahertz hızında bir işlemci geliştirdi. Metrenin milyarda biri ölçeğinde üretilen yeni işlemci, sıradan bilgisayarlardan 10 bin kat daha hızlı çalışıyor.

Mikroskobik bilgisayarlar “plazmon teknolojisinden” yararlanan ve bir molekülden bile daha küçük olan nano-elektronik devrelerden üretilecek. Kumaş, giysi, kâğıt ve hatta insan hücrelerine entegre edilen nano bilgisayarlar sayesinde; bizzat kendi vücudumuzu ve giysilerimizi bilgisayar olarak kullanarak teknoloji hamallığı yapmaktan kurtulacağız.

 

 

Her hücreye bir bilgisayar kampanyası

Uzun zamandır yazılarımızda insan vücudunun bir gün organik bilgisayara dönüşeceğini anlatıyoruz. Bunun için insan hücrelerinin genetiğini değiştirecek ve hücrelerimizi birer mikroskobik bilgisayara dönüştürecekler.

İnsan vücudunun tamamı trilyonlarca canlı bilgisayar hücresini birbirine bağlayan organik bir bulut bilişim ağı meydana getirecek. Kısacası hepimiz birer mobil süper bilgisayar olacağız.

Ancak bunları anlatması kolay olsa da yapması zor: Molekül veya atom boyunda bilgisayar üretmenin tek yolu “elektrikle çalışan bilgisayarlardaki elektronları” iğneden iplik geçirir gibi büyük bir hassasiyetle yönetmek, kontrol etmektir.

 

 

 

Elektronları tek tek ellemek

Günümüzün 10 nanometre sınırını zorlayan en güçlü mikroişlemcileri bile elektronları tek tek kullanmayı başaramıyor. Bunun yerine, CPU’ları oluşturan transistorlardaki bakır tellerden elektrik akımı geçiriyor. Bu da bir sineği balyozla ezmeye çalışmak kadar kaba bir teknoloji.

Bilgisayarlar elektronları dev gruplar halinde kullandığı için elektronik devreler çabuk ısınıyor ve fazla elektrik yakıyor. Hem elektrik faturası kabarıyor hem de küresel ısınma hızlanıyor.

Seul Ulusal Üniversitesi’nden Profesör Christian A. Nijhuis ile ekibi, elektronları neredeyse tek tek kontrol eden süper küçük ve hassas elektronik devreler tasarladı: Nano-elektronik devreler. Bu mikroskobik bilgisayar devreleri aspirin pilden bile daha az elektrik yakıyor.

 

 

Plazmon teknolojisi

Bilgisayarlar elektrikle çalışıyor ve “elektrikle düşünerek” işlem yapıyor. Elektronları tek tek kontrol etmek için de bu elektronların içinden tek tek veya küçük gruplar halinde geçebileceği mini tüneller, veri otoyolları, yani mikroskobik delikler açmak gerekiyor.

Bilim adamları bu teknolojiyi plazmonik-elektronik devreler olarak adlandırdı. Plazmonik devreler, elektronik sistemleri fiber optik kablolar gibi ışıkla çalışan bilgisayar sistemleriyle birleştiriyor. Böylece mikro bilgisayarlar çok az elektrik tüketerek yüksek hızlarda çalışıyor. İsmi teknik olabilir ama prensipte 100 yıl öncesine dayanan basit bir sistem. Bakın nasıl? 🙂

 

 

Küçük, daha küçük

Bazı metallere güneş ışığı tutarsak, ışığı meydana getiren fotonların metaldeki elektronlarla etkileşime girmesini sağlayabiliyoruz. Aslında, Einstein’ın 1900’lerin başında keşfettiği fotoelektrik etkiden söz ediyoruz. Bu teknoloji altmışlı yıllardan itibaren güneş ışığından elektrik üreten güneş panellerinin üretiminde kullanıldı.

Güney Koreli araştırmacıların bugün yapmak istediği ise, fotoelektrik etkiyi kullanarak mikroskobik bir bilgisayar üretmek.

Bunun için fiber optik kablolardan gelen ışığı nano devreler üzerinde topluyor ve ışığın enerjisinin elektronlara aktarılmasını sağlıyorlar. Yüksek hızla titreşen bu elektron grupları plazmon olarak adlandırılıyor.

 

 

Hem ışık hem de elektrikle çalışan melez bilgisayarlar

Plazmonlar fizikte tek bir elektron parçacığı gibi davranan, yani fiziksel çevreyle tek bir elektron gibi etkileşime giren küçük elektron gruplarıdır. İşte bu sayede elektronları tek tek kontrol edemesek bile plazmon oluşturmalarını sağlıyor ve bu plazmonları bilgisayar işlemi yapmak için kullanabiliyoruz.

Plazmonlar tek bir parçacık gibi davrandığı için fizikte “yalancı parçacık” olarak adlandırılıyor. Elektronlardan meydana gelen elektrik akımlarını kullanan bilgisayarların tersine, elektron gruplarından oluşan plazmonları kullanan bilgisayar devrelerine plazmonik devreler deniyor.

Fiber optik kablolardan gelen ışığı elektronik devrelerde işleyerek çalışan bilgisayarlar plazmonik devrelerden üretiliyor. Bunlar hem ışık hem de elektrikle çalışan melez bilgisayarlar olarak adlandırılıyor (elektro-optik bilgisayarlar). Nano–elektronik devreler kullanan bu elektro-optik bilgisayarları “mikroskobik holografik bilgisayarlar” olarak da adlandırabiliriz.

 

 

Plazmonların marifetlerinden söz edecektik hani?

Plazmonların çok ilginç bir özelliği var. Hem mikroskobik devrelerin bir parçasını, yani bileşenini oluşturuyorlar hem de mikroskobik kaynak aleti olarak bu devrelerin üretilmesinde kullanılıyorlar. Bunu kısaca açıklayalım:

Plazmonlar “mikroskobik kaynak çubuğu” gibi çalışarak, bilgisayar devrelerinde birkaç atom boyunda delikler açılmasını sağlıyor. Böylece normal bilgisayarlardan çok daha küçük mikroskobik bilgisayar devreleri üretilebiliyor. Sözün özü, plazmonlar mikroskobik kaynak aleti gibi kullanılıyor ve molekül boyunda elektrik kaynağı yapılmasını sağlıyor.

Plazmonlar aynı zamanda fiber optik kablolarda ışık sinyali halinde kodlanmış verinin nano-elektronik devrelere aktarılmasını sağlıyor. Veriyi kodlamak için az sayıda foton ve elektronun kullanılması, “bilgisayarın düşünme ve veri depolama çözünürlüğünü” artırıyor. Böylece nano bilgisayarlar diğer bilgisayarlardan çok daha büyük miktarda veri işleyerek çok daha hızlı çalışıyor.

 

 

Peki mikroskobik bilgisayarları biz nasıl kullanacağız?

Soru basit: İnsan hücrelerini bilgisayara dönüştürdük diyelim. Oysa bu hücreler elimizle dokunamayacağız kadar küçük olacak. Vücudumuzu bilgisayar olarak kullanmak için ne klavye ne de dokunmatik ekrandan yararlanabiliriz.

Daha doğrusu, basit bir ekranı mikroskobik insan hücrelerine bağlayan hassas bir network sistemi, kablolu kumanda sistemi, bir tür minyatür telekom şebekesi geliştirmemiz gerek. İşte Profesör Christian A. Nijhuis ile arkadaşlarının geliştirdiği nano-elektronik devreler, bu sistemleri araştırmakta ve mikroskobik bilgisayarlar tasarlamakta kullanılacak.

Nijhuis tıpkı moleküllere elimizle dokunmamızı sağlayan yeni model dokunmatik süper mikroskoplar gibi, molekül boyundaki nano bilgisayarları da ellerimizle kontrol etmemiz için özel bir donanım arayüzü geliştiriyor. Böylece makroskobik dünyayı mikroskobik dünyaya taşıyor.

 

 

Kuantum tünelleme

Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi’nden kaynaklanan kuantum tünelleme, elektron ve foton gibi parçacıkların kısa mesafelerde uzaydaki başka bir yerde aniden ortaya çıkmasını sağlayan bir etkidir; ama yalnızca birkaç atom boyu gibi kısa mesafelerde.

Bu özellik aynı zamanda birbirine çok yakın iki bakır tel üzerindeki elektronların da diğer tele aniden sıçramasına yol açıyor. Nitekim günümüzdeki mikroişlemcilerin boyunu daha fazla küçültmemizi engelleyen durum da bu. Mikroişlemcilerin transistorlarındaki bakır teller arasında rastgele sıçrayan elektronlar çok küçük işlemcilerin kısa devre yapmasına yol açıyor.

 

 

Mikroskobik bilgisayarlarda durum farklı

Böylece başa dönmüş oluyoruz çünkü bunun sebebi, nano bilgisayarların elektrik akımı yerine plazmon denilen küçük elektron gruplarıyla çalışması. Elektrik akımı yerine, mini elektrik atımlarıyla (pulslarıyla) çalışıyor.

Bu durumda elektronların kuantum tünelleme yapmasını sağlayan özel mikroskobik “devre kapıları” üretmek zorundayız. Seul Üniversitesi plazmonlarla bunu yaptı zaten. Mikroskobik devre kapıları olan nano-elektronik işlemciler üretti.

Bilim adamları fotonların enerjisini elektronlara aktaran iki mikroskobik plazmon rezonans cihazı geliştirdiler. Bu cihazlar bilgisayarlarda mantıksal işlemlerin yapılması için kullanılan mantık kapısı ve mantık anahtarı fonksiyonlarını yerine getiriyor. Ancak bunu anlatmak için uzayda kısa bir yolculuk yapmak ve yerel yıldızımız Güneş’e şöyle bir uğramak gerekiyor.

 

 

Mikroskobik bilgisayarlar güneş rüzgarı ile çalışıyor

Güneşin uzaya püskürttüğü sıcak gazlar plazma fırtınaları oluşturuyor. Plazma fırtınaları (güneş rüzgarı) Dünya’ya ulaştığında yörüngedeki iletişim uydularının elektronik devrelerini yakabiliyor.

Nano bilgisayarlar ise dev plazma rüzgarları yerine, parçacık boyutunda mini plazma alanları (plazmonlar) kullanıyor ve elektronları bu şekilde yönlendiriyor. Özetle nano bilgisayarların güneş rüzgarı ile çalıştığını da söyleyebiliriz. Tek farkı plazmonları laboratuarda üretiyor olmamız.

 

 

Neyle çalıştığını anladık, peki nasıl çalışıyor?

Plazma frekansından daha düşük bir frekansa sahip ışık ışınları, nano-elektronik devreler tarafından ayna gibi yansıtılıyor. Çünkü elektronik devrenin metal parçaları üzerinde plazmon oluşturan elektronlar, ışığın elektrik alanının devreye nüfuz etmesini, yani devrenin içine yayılmasını engelliyor.

Öte yandan, ışığın frekansı plazma frekansından yüksekse, nano-elektronik devreler ışık sinyalini yansıtmak yerine emiyor ve ışıkta kodlanan veriyi de bilgisayarın işlemcisi ile depolama alanına aktarıyor.

 

 

Plazmon oluşturan elektronlarla ışık ışınları arasındaki bu etkileşim, sadece belirli renklerdeki ışığı yansıtan veya emen bilgisayar sistemleri geliştirilmesine izin veriyor. Örneğin ışığı yansıtan devreler bilgisayarda 1 rakamına karşılık gelirken, ışığı emen devreler 0 rakamına karşılık geliyor. Mikroskobik bilgisayardaki 1’li, 0’lı veri bitleri bu şekilde üretiliyor.

Araştırmacılar sadece 0,5 nanometre boyundaki tek bir molekül katmanı ile birbirinden ayrılan iki plazmon rezonans cihazı geliştirdiler (molekül boyunda devreler). Elektron mikroskobu kullanan Nijhuis ve ekibi, bu devre anahtarı üzerindeki elektronların iki plazmon sistemi arasında kuantum tünelleme ile geçiş yapmasını sağladılar. Böylece klasik bilgisayarlardaki küçültme limitini yeni teknolojiyle aştılar.

 

 

Saat hızı 24 terahertz

Elektronik devreler ne kadar küçükse o kadar hızlı çalışıyor. Örneğin, bilim adamlarının geliştirdiği nano bilgisayarın çekirdek hızı 24 Thz’e ulaştı ve bu tür birkaç nano-elektronik devreyi birleştiren araştırmacılar, 245 terahertz hızda çalışan bir bilgisayar devresi üretmeyi başardılar.

Üstelik iki plazmon rezonans cihazını birbirinden ayıran molekül katmanını farklı bir malzemeden üreterek, plazmonik devreler arasında gidip gelen elektronların tünelleme yapma sıklığını, yani işlemcinin çalışma hızını da kontrol edebildiler. Kısacası mikroskobik bilgisayarın saat ayarını yaptılar.

 

Akıllı moleküller geliyor

Böylece bilim adamları ilk defa plazmonik devreler tasarlamış ve kullanmış oldular. Prototip devrelerin bile 245 terahertz hıza ulaştığı bu teknoloji, gelecekte ışık hızının yüzde 99’u hızla çalışan insan hücresi boyunda mikroskobik organik bilgisayarlar üretilmesini sağlayacak.

Mikroskobik bilgisayarlar sayesinde, görünmez lazer ışınları ve termal kameralarla binalara izinsiz girilmesini önleyen sensörleri de molekül boyutuna küçültebileceğiz. Böylece karanlıkta tek bir fotonu bile algılayan süper hassas bilgisayarlar imal edilecek. Hatta binalara hırsız alarmı olarak çalışan “akıllı moleküller” püskürtebileceğiz.

Akıllı moleküller beyaz eşyadan mobilyalara ve insan vücuduna kadar her şeyin bakımı ile sağlık kontrolünü yapan mikroskobik robot işçiler, doktorlar ve robot tamirciler gibi çalışacak.

 

 

Kuantum bilgisayarlarda devrim

Profesör Nijhuis’in plazmonik elektronik devreleri, D-Wave şirketinin geliştirdiği kuantum bilgisayarların büyük soğutma sistemleri gerektirmeyen daha küçük modellerinin geliştirilmesini de sağlayacak.

Nitekim D-Wave’in kuantum bilgisayarı, gerçek bir kuantum bilgisayar olmamakla eleştiriliyordu. D-Wave’in karşıtları, özellikle rakip tasarımcılar, bu sistemin aslında klasik bir bilgisayar olduğunu iddia ediyordu. Plazmon teknolojisi kullanan nano-elektronik devreler, daha gelişmiş kuantum bilgisayarların tasarlanmasını sağlayacak.

Fotonik kristallere dayanan ve plazmon teknolojisinin bir türevi olan bu bilgisayarları ayrı bir yazıda anlatacağım :). Ancak en azından, geleceğin mikroskobik bilgisayarlarını insan kasından veya elbise kumaşından ayırt edemeyeceğimize emin olabiliriz. Mikroskobik organik devreler sayesinde, artık evlerimize bilgisayar diye odada toz yuvası olan koca kutular almaktan kurtulmuş olacağız.

 

 

Geleceğin 5 fantastik bilgisayar teknolojisi

 

 

 

¹http://www.sciencemag.org/content/343/6178/1496