Stanford Dünyanın İlk Karbon Nanotüp Bilgisayarını Üretti >> Geleceğin süper PC’leri küçük bir düğme boyunda olacak

Stanford Üniversitesi bakır devreler yerine tümüyle “karbon nanotüp” tellerden üretilen ilk bilgisayarı tanıttı. Cedric basit bir prototip ama karbon nanotüplerden üretilen bilgisayarlar, günümüzdeki PC’lerden kat kat hızlı çalışacak ve organik LED ekranlar kadar az elektrik tüketecek.

Karbon nanotüpler (CNT) adından da anlaşılacağı gibi karbon atomlarından üretiliyor. Ancak bu tüpler en ince bakır telden ya da insan saçından çok daha ince. Mikroskobik bir kablo kılıfına benzeyen ve sadece tek atom kalınlığında üretilen CNT’ler, aynı zamanda birinci sınıf bir yarıiletken. Bilim adamları yıllardır bakır ve diğer metallerden imal edilen elektronik devreler yerine CNT işlemciler üretmeye çalışıyor.

 

 

Stanford Üniversitesi nihayet kusursuz çalışan CNT transistorlar ve bu transistorlardan üretilen CNT işlemciler geliştirmeyi başardı. CNT CPU’lar, normal bilgisayar işlemcilerinden yüzlerce kat küçük olacak ve 9 nanometre boyunda üretilecek. Oysa bugünkü işlemciler temelde bakır tel kullandığı için küçültme sınırına ulaşmak üzere.

Daha hızlı çalışan ve çok daha az elektrik tüketen minyatür süper bilgisayarlar geliştirmenin tek yolu, elektronik devreleri karbon nanotüplerden imal etmek. CNT normal tellerden çok daha ince bir malzeme ve 9 nanometre ölçeğinde bile aşırı ısınıp kısa devre yapmadan çalışabiliyor. 10 yıl içinde gömlek düğmesi boyunda üretilecek olan CNT bilgisayarlar, bize bugünkü notebook performansını sunacak.

 

 

Fabrika modelleri mevcut bilgisayarlara takılabilir

Stanford Üniversitesi tek bir insan saç teline binlercesi sığan karbon nanotüplerden ürettiği devrelerle dünyanın ilk CNT bilgisayarını geliştirmeyi başardı. Araştırmacılar CNT teknolojisinin öncüsü olan bu prototipi Cedric olarak adlandırdı.

Elektronik cihazların minyatür boyutlarda üretilmesi yarıiletken sektörünün yıllardır peşinden koştuğu bir rüya. Intel gibi şirketler bu rüyayı kovalarken gittikçe daha güçlü ve verimli işlemciler geliştirdiler. Buna rağmen silikon devre-bakır tel teknolojisi küçültme sınırına yaklaşıyor. Kuantum fiziğinden kaynaklanan sebeplerle metal transistorları daha fazla küçültmek imkansız görünüyor.

Ayrıca, dünyada elektronik cihaz üretiminde kullanılan platin ve paladyum gibi nadir metaller hızla tükeniyor. Google yöneticileri ve ünlü yönetmen James Cameron yatırım yaptıkları Planetary Resources şirketi ile asteroitlerden maden çıkarmayı planlarken, ayağı yere basan bilim adamları da nadir metal kullanmayan elektronik devreler üretmeye odaklandılar. Karbon nanotüplerin bilgisayarlara sunduğu en büyük avantajlardan biri de bu.

 

 

Silikon devrelere kardeş

Elektronik devrelerin üzerine basıldığı silikon kartlar, yani bilgisayarların içindeki parçaların arkasında görülen “yeşil plastikler” günümüzde bilişim sektörünün ayrılmaz bir parçası. Bu açıdan CNT bilgisayarlar silikon devrelerle kardeş ve Stanford’un dehası da burada yatıyor.

Karbon nanotüplerden üretilen devreleri standart silikon kartların üzerine basabilirsiniz. Bu da sektörün mevcut fabrikaları, makineleri ve üretim tekniklerini elden çıkarmadan yeni CNT bilgisayarlar imal edebileceği anlamına geliyor. Oysa bilgisayar sektörü, tümüyle yeni materyaller ve teknolojiler geliştirmeyi gerektiren kuantum bilgisayarlarla optik bilgisayarlara o kadar sıcak bakmıyor.

 

 

Organik bilgisayarların ilk örneği

Yapraklardan koyun etine, dünyadaki bütün canlıların temel yapıtaşları karbon atomlarından oluşuyor. Bu yüzden karbon nanotüp bilgisayarları aynı zamanda organik bilgisayarların fabrikada üretilecek ilk örnekleri olarak da adlandırabiliriz…

…Ve Cedric bu açıdan dünyanın en gelişmiş organik bilgisayarı. Peki çok mu hızlı? Cedric aslında dünyanın doğru dürüst çalışan ilk organik bilgisayarı :). Şimdilik pasta tabağı boyunda olsa da Cedric en az 1955 yapımı oda büyüklüğündeki çelik bilgisayarlar kadar hızlı çalışıyor.

 

 

Evet Cedric bir prototip: Saniyede yazıyla “1 bit” enformasyon işliyor ve yalnızca 32’ye kadar sayabiliyor. Stanford’dan Max Shulaker durumu şöyle izah ediyor: “Cedric’i insanlarla karşılaştıracak olursak, parmaklarını sayabildiğini ve alfabenin harflerini dizebildiğini söyleyebiliriz. Ancak, [Cedric] kelimenin tam anlamıyla bir bilgisayardır. Yeterli bellek eklerseniz, yapabileceği işlemlerin bir sınırı yoktur.”¹

Bilgisayar diliyle konuşacak olursak Cedric tam bir “Turing Makinesi” ve prensipte bütün bilgi işlem problemlerini çözebilir. Bu makine temel bir işletim sistemi ile çalışıyor ve iki farklı işlem arasında hızlı geçiş yapabiliyor. Örneğin ya sayı sayıyor ya da sayıları diziyor. Eski prototiplerin tersine Cedric hiç yanılmıyor, pratikte kusursuz çalışıyor.

 

 

Kusursuzluğun yeni adı

Bilgisayarlar elbette hata yapar. Yazılım kodu mükemmel olan bilgisayarlar bile. Bunun nedeni, elektrikle çalışmaları ve metal elektronik devrelerde kuantum fiziği yasalarına göre gerçekleşen rastgele elektron sıçramalarından etkilenmeleridir.

Karbon nanotüplerden üretilen Cedric’in devreleri ise yapısal açıdan çok daha kusursuz ve 9 nanometre ölçeğinde bile kusursuz olacak. Çünkü CNT nadir metallerden daha kaliteli bir yarıiletken. Doğada yüzde 100 kusursuzluk mümkün olmamasına rağmen, Cedric’in torunları bu ideale yaklaşacak.

Stanford takım lideri Profesör Subhasish Mitra ekibine ve Cedric’e güveniyor: “İnsanlar ne zamandır karbon nanotüp yapımı elektronik cihazlarla yeni bir çağa gireceğimizi söylüyordu ama bugüne dek bunun pek bir kanıtı yoktu. İşte size kanıt!” Stanford’un umudu BT sektörünün fırsatı değerlendirip CNT bilgisayarlar üretecek olması.

 

 

Defolu karbon nanotüpler

Saçlarınız dalgalı mı? Saçlarınız benimki kadar dalgalıysa saçınızı tarayarak düzleştirmenin büyük bir işkence olduğunu bilirsiniz (bu yüzden yıllardır kısa saçla geziyorum). Karbon nanotüpler de 15 yıldır konuşuluyor, ama kimse CNT’lerden bilgisayar üretmeyi başaramadı. Çünkü CNT telleri tıpkı benim dalgalı saç tellerim gibi kıvrılıyor ve Arap saçına dönüyordu.

Kısacası bütün marifet karbon nanotüplere metal transistorlar gibi düz şekil vermekti. Cedric’in transistorları yüzde 99,5 oranında düz üretildi ve bu yüzden standart çipler gibi düzgün çalışıyor.

 

 

 

İkinci problem, kusursuz CNT devreler üretmekti. CNT’lerin iyi bir yarıiletken olduğunu söyledik ama küçük bir detayı atladık. Laboratuarda üretilen bazı CNT’ler elektriği HER ZAMAN geçiriyor. Oysa yarıiletkenlerin, adı üstünde, elektriği bazen iletmesi ve bazen iletmemesi; böylece bilgisayarlarda kullanılan “açık ve kapalı” mantık kapılarını, yani 1 ve 0’lı ifadeleri oluşturması gerekiyor.

Stanford ekibi, defolu CNT’lerden kurtulmak için önce düzgün çalışan CNT transistorları kapattı. Ardından sadece defolu devrelere bunlar yanıp buharlaşana kadar elektrik verdi. Böylece bütün çipsetleri tarladaki zararlı otları ayıklar gibi temizlemiş oldu. Stanford araştırmacıları bu tekniği “kusurlara bağışıklı tasarım” olarak adlandırıyor.

 

 

IBM mesajı aldı

IBM Thomas J Watson Araştırma Merkezi Fen Bilimleri Direktörü Supratik Guha, Stanford’un sektöre gönderdiği sinyalleri doğru yorumlamış görünüyor: “Bütün bunlar, CNT’leri kimya laboratuarından çıkarıp gerçek bir ortama taşımak için başlangıçta atılması gereken zorunlu adımlar.” Peki IBM, Stanford’a telefon açıp “Haydi bana bunlardan 1 milyar tane yap” dese yapabilir miyiz?

Münih Teknik Üniversitesi’nden Franz Kreupl’a göre buna prensipte bir engel yok: “Araştırmacılar büyük ölçekli 64 bit sistemlere ve boyutları küçültülmüş 20 nanometre transistorlara odaklanırsa yakında bu tür çipler elimize geçer.”

 

 

 

Nitekim Cedric çipleri şimdilik tam sekiz mikron genişliğinde (8000 nanometre) ve bu da gönümüzün 20 nanometreden küçük çiplerinin oldukça gerisinde kalan bir standart. Daha küçük nanotüp bilgisayarlar üretmemiz lazım ve bu konuda umutluyuz. Aslında ben de yukarıdaki 9 nanometre örneğini IBM’den aldım. Çünkü IBM, Cedric gibi tam kapasiteli bir bilgisayar olmasa da 9 nm boyunda minyatür CNT transistorlar üretmişti.

Heyecan verici bir çağda, teknolojinin nanoteknolojiye dönüştüğü sınırda yaşıyoruz! 🙂

 

Dünyanın ilk karbon nanotüp bilgisayarı

 

 

 

¹Carbon nanotube computer: Max M. Shulaker, Gage Hills, Nishant Patil, Hai Wei, Hong-Yu Chen, H.-S. Philip Wong & Subhasish Mitra. Nature 501,526–530 (26 September 2013) doi:10.1038/nature12502 Published online 25 September 2013