26 Μαρτίου 2024 (Προβολέας Nanowerk) Στον τομέα της πληροφορικής, η ηλεκτρονική τρανζίστορ είναι εδώ και καιρό η κυρίαρχη τεχνολογία. Από την ανακάλυψή της το 1947, αυτή η μικροσκοπική συσκευή έχει γίνει το θεμέλιο της σύγχρονης ηλεκτρονικής, επιτρέποντας την ψηφιακή επανάσταση που έχει μεταμορφώσει σχεδόν κάθε πτυχή της ζωής μας. Ωστόσο, παρά την πανταχού παρουσία του και την απαράμιλλη επιτυχία του, το ηλεκτρονικό τρανζίστορ έχει τους περιορισμούς του. Η υψηλή κατανάλωση ενέργειας, η ευπάθεια σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες και η έλλειψη άμεσης αλληλεπίδρασης με εξωτερικά ερεθίσματα όπως η θερμότητα, η δύναμη και η πίεση έχουν παρακινήσει τους ερευνητές να εξερευνήσουν εναλλακτικές προσεγγίσεις στον υπολογισμό. Εδώ μπαίνει ο μηχανικός υπολογισμός. Σε αντίθεση με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, ο μηχανικός υπολογισμός βασίζεται στον φυσικό χειρισμό υλικών και δομών για την εκτέλεση λογικών λειτουργιών. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, αυξημένη ασφάλεια και δυνατότητα λειτουργίας σε σκληρά περιβάλλοντα όπου τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα συχνά αποτυγχάνουν. Επιπλέον, οι μηχανικές υπολογιστικές συσκευές μπορούν να σχεδιαστούν για να ανταποκρίνονται άμεσα σε περιβαλλοντικές εισροές και να επεξεργάζονται, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για αποκεντρωμένη νοημοσύνη και προσαρμοστικά συστήματα. Παρά τις δυνατότητες των μηχανικών υπολογιστών, η πρόοδος στον τομέα έχει παρεμποδιστεί από την ad hoc φύση των υπαρχόντων σχεδίων. Οι περισσότερες έρευνες έχουν επικεντρωθεί στη δημιουργία απλών λογικών πυλών, χωρίς την αρθρωτή και επεκτασιμότητα που είναι απαραίτητη για πιο προηγμένες εφαρμογές. Επιπλέον, πολλά μηχανικά υπολογιστικά συστήματα εξακολουθούν να βασίζονται σε μη αυτόματη επαναφορά ή ηλεκτρικά σήματα για είσοδο και έξοδο, περιορίζοντας την αυτονομία και την περιβαλλοντική απόκρισή τους. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Σαγκάης Jiao Tong έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Προηγμένα λειτουργικά υλικά («Θερμικός Υπολογισμός με Μηχανικά Τρανζίστορ»), εισάγουν ένα νέο μηχανικό τρανζίστορ που συνδυάζει ένα υλικό που ανταποκρίνεται στη θερμοκρασία και μια εναλλασσόμενη δομή. Αυτός ο καινοτόμος σχεδιασμός επιτρέπει την κατασκευή πολύπλοκων λογικών κυκλωμάτων και αποθήκευσης μνήμης, όλα αυτά χωρίς την ανάγκη ηλεκτρικής ενέργειας.
Ένα μηχανικό τρανζίστορ για θερμικούς υπολογιστές. α) Σχηματική απεικόνιση ενός μηχανικού τρανζίστορ που αποτελείται από τρεις ακροδέκτες εισόδου (i)-(iii) και έναν ακροδέκτη εξόδου για τη μεταφορά σημάτων θερμοκρασίας, έναν δισταθή ενεργοποιητή (iv) και έναν θερμομηχανικό αισθητήρα (v) εμπνευσμένο από Kirigami, κατασκευασμένο από ασύμμετρη μετατόπιση ενισχυτής που αποτελείται από πολυανθρακικό (PC) και κράμα invar. Οι διαστάσεις των l και w είναι 250 και 85 mm, αντίστοιχα. (Η εικόνα προσαρμόστηκε από doi:10.1002/adfm.202401244 με άδεια από την Wiley-VCH Verlag) Το μηχανικό τρανζίστορ που αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα αποτελείται από τρεις ακροδέκτες θερμικής εισόδου και έναν ακροδέκτη θερμικής εξόδου, μαζί με ένα διακόπτη εξάρτημα και ένα υλικό που ανταποκρίνεται στη θερμοκρασία . Το ανθεκτικό στη θερμοκρασία υλικό, κατασκευασμένο από συνδυασμό πολυανθρακικού και κράματος invar, αλλάζει σχήμα ανάλογα με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Όταν θερμαίνεται, επιμηκύνεται και όταν ψύχεται, συστέλλεται. Αυτή η αλλαγή σχήματος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της κατάστασης του εναλλάξιμου στοιχείου, το οποίο μπορεί να κουμπώσει μεταξύ δύο σταθερών διαμορφώσεων για να αναπαραστήσει δυαδικές καταστάσεις.
Τακτοποιώντας αυτά τα μηχανικά τρανζίστορ σε διάφορες διαμορφώσεις, οι ερευνητές επιδεικνύουν την ικανότητα να κατασκευάζουν μια πλήρη σειρά λογικών πυλών, συμπεριλαμβανομένων των NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR και XNOR. Είναι αξιοσημείωτο ότι ένα μόνο μηχανικό τρανζίστορ μπορεί να επαναπρογραμματιστεί για να εκτελεί διαφορετικές λογικές λειτουργίες απλώς επαναδιαμορφώνοντας τις πηγές θερμικής εισόδου, προσφέροντας ένα επίπεδο ευελιξίας και απόδοσης που δεν φαίνεται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Τα μηχανικά τρανζίστορ μπορούν επίσης να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν πιο πολύπλοκα υπολογιστικά στοιχεία. Οι ερευνητές δείχνουν πώς δύο διασυνδεδεμένα μηχανικά τρανζίστορ μπορούν να σχηματίσουν μια βασική μονάδα μνήμης, ικανή να αποθηκεύει και να ανακτά πληροφορίες. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας ένα πολυμερές με μνήμη σχήματος στο εναλλασσόμενο εξάρτημα, επιτρέπουν τη μη πτητική λειτουργία μνήμης, που σημαίνει ότι οι αποθηκευμένες πληροφορίες διατηρούνται ακόμη και όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Αυτή η ενσωμάτωση λογικής και μνήμης στην ίδια συσκευή ανοίγει το δρόμο για υπολογιστές στη μνήμη, ένα παράδειγμα που υπόσχεται να ξεπεράσει τους περιορισμούς των παραδοσιακών αρχιτεκτονικών υπολογιστών.
Για να δείξουν τις δυνατότητες των μηχανικών τρανζίστορ τους, οι ερευνητές κατασκευάζουν μια αριθμητική λογική μονάδα, βασικό συστατικό των υπολογιστικών συστημάτων. Είναι αξιοσημείωτο ότι ο σχεδιασμός τους απαιτεί μόνο επτά μηχανικά τρανζίστορ για να εκτελέσουν την ίδια αριθμητική λειτουργία που τυπικά θα απαιτούσε 38 ηλεκτρονικά τρανζίστορ. Αυτή η δραστική μείωση του αριθμού εξαρτημάτων υπογραμμίζει την αποτελεσματικότητα και την επεκτασιμότητα της μηχανικής υπολογιστικής προσέγγισης.
Πέρα από τον καθαρό υπολογισμό, οι ερευνητές αποδεικνύουν επίσης πώς τα μηχανικά τρανζίστορ τους μπορούν να ενεργοποιήσουν περιβαλλοντικά προσαρμοστικά συστήματα. Τακτοποιώντας δύο μηχανικά τρανζίστορ σε μια σειρά, δημιουργούν μια συσκευή ικανή να ανταποκρίνεται στις αλλαγές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος για να ελέγχει την ανάπτυξη των ηλιακών συλλεκτών. Αυτή η εφαρμογή απεικονίζει τη δυνατότητα μηχανικών υπολογιστών να διευκολύνει αυτόνομα συστήματα που μπορούν να αλληλεπιδρούν και να προσαρμοστούν στο περιβάλλον τους, όπως στην αεροδιαστημική, όπου τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ενδέχεται να μην είναι κατάλληλα λόγω ακραίων διακυμάνσεων θερμοκρασίας και έκθεσης στην ακτινοβολία.
Ενώ η ανάπτυξη αυτού του μηχανικού τρανζίστορ αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ορόσημο στον τομέα των μηχανικών υπολογιστών, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις. Η διάχυση θερμότητας και οι απώλειες αγωγιμότητας είναι κρίσιμα ζητήματα για την επεκτασιμότητα και την πρακτική εφαρμογή αυτών των συσκευών. Η μελλοντική έρευνα θα χρειαστεί να αντιμετωπίσει αυτά τα ζητήματα για να αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητες των μηχανικών υπολογιστών.
Ωστόσο, το μηχανικό τρανζίστορ που αναπτύχθηκε από αυτήν την ερευνητική ομάδα προσφέρει μια ματιά σε ένα μέλλον όπου τα όρια μεταξύ υπολογισμού και φυσικού κόσμου γίνονται όλο και πιο θολά. Αξιοποιώντας τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών και των δομών, οι μηχανικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να εισαγάγουν ένα νέο κύμα προσαρμοστικών, αποδοτικών και περιβαλλοντικά ανταποκρινόμενων συστημάτων.
Ένα μηχανικό τρανζίστορ για θερμικούς υπολογιστές. α) Σχηματική απεικόνιση ενός μηχανικού τρανζίστορ που αποτελείται από τρεις ακροδέκτες εισόδου (i)-(iii) και έναν ακροδέκτη εξόδου για τη μεταφορά σημάτων θερμοκρασίας, έναν δισταθή ενεργοποιητή (iv) και έναν θερμομηχανικό αισθητήρα (v) εμπνευσμένο από Kirigami, κατασκευασμένο από ασύμμετρη μετατόπιση ενισχυτής που αποτελείται από πολυανθρακικό (PC) και κράμα invar. Οι διαστάσεις των l και w είναι 250 και 85 mm, αντίστοιχα. (Η εικόνα προσαρμόστηκε από doi:10.1002/adfm.202401244 με άδεια από την Wiley-VCH Verlag) Το μηχανικό τρανζίστορ που αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα αποτελείται από τρεις ακροδέκτες θερμικής εισόδου και έναν ακροδέκτη θερμικής εξόδου, μαζί με ένα διακόπτη εξάρτημα και ένα υλικό που ανταποκρίνεται στη θερμοκρασία . Το ανθεκτικό στη θερμοκρασία υλικό, κατασκευασμένο από συνδυασμό πολυανθρακικού και κράματος invar, αλλάζει σχήμα ανάλογα με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Όταν θερμαίνεται, επιμηκύνεται και όταν ψύχεται, συστέλλεται. Αυτή η αλλαγή σχήματος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της κατάστασης του εναλλάξιμου στοιχείου, το οποίο μπορεί να κουμπώσει μεταξύ δύο σταθερών διαμορφώσεων για να αναπαραστήσει δυαδικές καταστάσεις.
Τακτοποιώντας αυτά τα μηχανικά τρανζίστορ σε διάφορες διαμορφώσεις, οι ερευνητές επιδεικνύουν την ικανότητα να κατασκευάζουν μια πλήρη σειρά λογικών πυλών, συμπεριλαμβανομένων των NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR και XNOR. Είναι αξιοσημείωτο ότι ένα μόνο μηχανικό τρανζίστορ μπορεί να επαναπρογραμματιστεί για να εκτελεί διαφορετικές λογικές λειτουργίες απλώς επαναδιαμορφώνοντας τις πηγές θερμικής εισόδου, προσφέροντας ένα επίπεδο ευελιξίας και απόδοσης που δεν φαίνεται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Τα μηχανικά τρανζίστορ μπορούν επίσης να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν πιο πολύπλοκα υπολογιστικά στοιχεία. Οι ερευνητές δείχνουν πώς δύο διασυνδεδεμένα μηχανικά τρανζίστορ μπορούν να σχηματίσουν μια βασική μονάδα μνήμης, ικανή να αποθηκεύει και να ανακτά πληροφορίες. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας ένα πολυμερές με μνήμη σχήματος στο εναλλασσόμενο εξάρτημα, επιτρέπουν τη μη πτητική λειτουργία μνήμης, που σημαίνει ότι οι αποθηκευμένες πληροφορίες διατηρούνται ακόμη και όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Αυτή η ενσωμάτωση λογικής και μνήμης στην ίδια συσκευή ανοίγει το δρόμο για υπολογιστές στη μνήμη, ένα παράδειγμα που υπόσχεται να ξεπεράσει τους περιορισμούς των παραδοσιακών αρχιτεκτονικών υπολογιστών.
Για να δείξουν τις δυνατότητες των μηχανικών τρανζίστορ τους, οι ερευνητές κατασκευάζουν μια αριθμητική λογική μονάδα, βασικό συστατικό των υπολογιστικών συστημάτων. Είναι αξιοσημείωτο ότι ο σχεδιασμός τους απαιτεί μόνο επτά μηχανικά τρανζίστορ για να εκτελέσουν την ίδια αριθμητική λειτουργία που τυπικά θα απαιτούσε 38 ηλεκτρονικά τρανζίστορ. Αυτή η δραστική μείωση του αριθμού εξαρτημάτων υπογραμμίζει την αποτελεσματικότητα και την επεκτασιμότητα της μηχανικής υπολογιστικής προσέγγισης.
Πέρα από τον καθαρό υπολογισμό, οι ερευνητές αποδεικνύουν επίσης πώς τα μηχανικά τρανζίστορ τους μπορούν να ενεργοποιήσουν περιβαλλοντικά προσαρμοστικά συστήματα. Τακτοποιώντας δύο μηχανικά τρανζίστορ σε μια σειρά, δημιουργούν μια συσκευή ικανή να ανταποκρίνεται στις αλλαγές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος για να ελέγχει την ανάπτυξη των ηλιακών συλλεκτών. Αυτή η εφαρμογή απεικονίζει τη δυνατότητα μηχανικών υπολογιστών να διευκολύνει αυτόνομα συστήματα που μπορούν να αλληλεπιδρούν και να προσαρμοστούν στο περιβάλλον τους, όπως στην αεροδιαστημική, όπου τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ενδέχεται να μην είναι κατάλληλα λόγω ακραίων διακυμάνσεων θερμοκρασίας και έκθεσης στην ακτινοβολία.
Ενώ η ανάπτυξη αυτού του μηχανικού τρανζίστορ αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ορόσημο στον τομέα των μηχανικών υπολογιστών, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις. Η διάχυση θερμότητας και οι απώλειες αγωγιμότητας είναι κρίσιμα ζητήματα για την επεκτασιμότητα και την πρακτική εφαρμογή αυτών των συσκευών. Η μελλοντική έρευνα θα χρειαστεί να αντιμετωπίσει αυτά τα ζητήματα για να αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητες των μηχανικών υπολογιστών.
Ωστόσο, το μηχανικό τρανζίστορ που αναπτύχθηκε από αυτήν την ερευνητική ομάδα προσφέρει μια ματιά σε ένα μέλλον όπου τα όρια μεταξύ υπολογισμού και φυσικού κόσμου γίνονται όλο και πιο θολά. Αξιοποιώντας τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών και των δομών, οι μηχανικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να εισαγάγουν ένα νέο κύμα προσαρμοστικών, αποδοτικών και περιβαλλοντικά ανταποκρινόμενων συστημάτων.
– Ο Michael είναι συγγραφέας τριών βιβλίων από τη Royal Society of Chemistry:
Νανο-κοινωνία: Προώθηση των ορίων της τεχνολογίας,
Νανοτεχνολογία: Το μέλλον είναι μικροσκοπικό, να
Νανομηχανική: Οι δεξιότητες και τα εργαλεία που καθιστούν την τεχνολογία αόρατη
Copyright ©
Nanowerk LLC
Γίνετε συγγραφέας προσκεκλημένων! Εγγραφείτε στη μεγάλη και αναπτυσσόμενη ομάδα μας συμμετέχοντες. Μόλις δημοσιεύσατε μια επιστημονική εργασία ή έχετε άλλες συναρπαστικές εξελίξεις για κοινή χρήση με την κοινότητα νανοτεχνολογίας; Δείτε πώς μπορείτε να δημοσιεύσετε στο nanowerk.com.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
