این مقاله، هفتمین مقاله از مجموعه مقالات نانوالکترونیک است!

1- مقدمه
در سال 1958 میلادی اولین مدار مجتمع الکترونیکی ساخته شد. یک مدار مجتمع شامل تعداد زیادی ترانزیستور و البته تعدادی قطعه‌ی دیگر الکترونیکی است و معمولا برای انجام کار خاصی طراحی و ساخته می‌شود. در بسیاری از وسایلی که ما امروزه در زندگی استفاده می‌کنیم، مدارهای مجتمع الکترونیکی جزئی اصلی و مهم هستند. رایانه‌ها، خودروها، تلفن‌های همراه و ثابت، بسیاری از تلویزیون‌ها، رادیوها، پخش‌کننده‌های موسیقی و فیلم، دوربین‌های دیجیتال، یخچال و فریزر، ماشین‌های لباس‌شویی، آسانسورها، درب‌های الکترونیکی و سیستم‌های حفاظتی آن‌ها، سیستم‌های کنترل در کارخانجات و بسیاری قطعات دیگر همگی دارای مدارهای مجتمع هستند.

2- قانون مور
به تصویر(1) نگاه کنید. در این تصویر نموداری آمده که در آن، تعداد ترانزیستورهای واحد پردازشگر مرکزی رایانه بر محور عمودی و سال تولید آن بر محور افقی نشان داده شده است. پیش‌بینی مور با یک خط‌چین مورب رسم شده و اعداد واقعی با نقطه نمایش داده شده‌اند. بدین ترتیب می‌توان ملاحظه کرد که پیش‌بینی قانون مور تا چه اندازه به واقعیت نزدیک است. توجه کنید که در تصویر(1) ، به منظور پرهیز از پیچیدگی، نام همه‌ی انواع CPU نوشته نشده است. (CPU یا واحد پردازشگر مرکزی، مخفف واژه‌ی Central Processing Unit است. این بخش اصلی‌ترین و مهم‌ترین قسمت یک رایانه است. CPU یه منزله‌ی مغز رایانه انجام عملیات پردازشی، منطقی، ریاضی و کنترلی را بر عهده دارد. به بیان دیگر همه‌ی کارهای رایانه توسط واحد پردازشگر مرکزی مدیریت و کنترل می‌شود.)

تصویر1- مقایسه‌ی قانون مور و تعداد ترانزیستورهای CPU از سال 1971 تا 2008.
در این تصویر قانون مور به صورت خط‌چین نشان داده شده است.

3- چرا ترانزیستورِ بیشتر ؟

.
.
.
چرا ترانزیستورِ کوچک‌تر ؟!
گفتیم مور پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای مدارهای مجتمع هر دو سال تقریبا دو برابر می‌شود. البته این قانون مور را می‌توان به گونه‌ای دیگر نیز بیان کرد؛ در این بیان جدید هر دو سال ابعاد ترانزیستورهای موجود در مدارهای الکترونیکی تقریبا نصف می‌شود. اما به نظر شما چرا سازندگان مدارهای مجتمع به دنبال قرار دادن تعداد بیشتری ترانزیستور در یک مدار مجتمع هستند؟ یا به بیان دیگر، چرا سازندگان مدارهای مجتمع به دنبال کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستور هستند؟ آیا این کار مزیتی دارد؟
همان گونه که قبلا در مقاله‌ی «آشنایی با ساختار و نحوه‌ی عملکرد ترانزیستور» به صورت مفصل شرح دادیم، ترانزیستورها از طریق الکترون‌های آزاد یا حفره‌های آزاد مسیر رسانش الکتریکی را برقرار می‌کنند. ما از این ویژگی ترانزیستور که مشابه یک کلید است، استفاده می‌کنیم و مدارهای الکترونیکی را طراحی می‌کنیم و می‌سازیم. هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارات مجتمع بیشتر باشد، یا به بیان دیگر هر چه ترانزیستورها کوچک‌تر باشند، الکترون‌ها و حفره‌های آزاد برای رسانش الکتریکی مسیر کمتری را می‌پیمایند و این یعنی سرعت پردازش اطلاعات بیشتر می‌شود.
همچنین همان طور که در مقاله‌ی «نقش ترانزیستور در الکترونیک (2)» بیان کردیم، واحدهای حافظه‌ها نظیر RAM ،ROM ،FLASH و ... همگی از ترانزیستور ساخته شده است. بنابراین هر چه تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع بیشتر شود، اندازه حافظه‌ها نیز بیشتر می‌شود.
به همین جهت است که سرعت واحد پردازشگر مرکزی در رایانه‌ها مرتب افزایش می‌یابد. تا چند سال پیش سرعت رایانه‌ها حداکثر چند صد مگا هرتز بود، در حالی که امروزه سرعت رایانه‌ها به چند گیگا هرتز رسیده است و مرتب نیز در حال افزایش است. یا این‌که اندازه‌ی ظاهری حافظه‌ها تغییری نمی‌کند و حتی در مواردی کوچک‌تر هم می‌شود، اما میزان حافظه‌ی آن‌ها به سرعت در حال افزایش است.
اکنون ممکن است این پرسش در ذهن شما شکل بگیرد که چرا با این همه مزایا، از همان ابتدا ترانزیستورهایی با ابعاد کوچک نساختیم؟ چرا دانشمندان تقریبا هر دو سال، ابعاد ترانزیستور را نصف می‌کنند؟ پاسخ این پرسش ساده است. در اواخر دهه‌ی 60 میلادی که برای اولین بار از ترانزیستور برای ساخت مدارهای مجتمع استفاده شد، فناوری ساخت آن ها در ابعاد کوچک موجود نبود. در واقع دانشمندان به تدریج و با استفاده از روش‌های نوین و فنون خاصی توانستند ابعاد ترانزیستورها را کوچک کنند و این کوچک شدن همچنان ادامه دارد.

4- چقدر کوچک‌تر ؟!

ابعاد ترانزیستور را معمولا با طول کانال ترانزیستور، یعنی فاصله‌ی بین سورس و درین مشخص می‌کنند (اگر این مفاهیم را یادتان رفته، به مقاله‌ی «آشنایی با ساختار و نحوه‌ی عملکرد ترانزیستور» مراجعه کنید). طول کانال ترانزیستور تا چند سال پیش حدود 25/0 میکرومتر بود. این طول سپس به 18/0 میکرومتر و پس از آن به 90 نانومتر کاهش یافت، یعنی کمتر از 100 نانومتر. از این مرحله، ترانزیستور در حوزه مورد نظر فناوری‌نانو قرار می‌گیرد. در مدارهای مجتمع امروزی طول کانال ترانزیستور حدود 65 نانومتر است.
پیش‌بینی می‌شود تا سال 2010 میلادی ترانزیستورهایی با طول کانال 45 نانومتر در مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین برآوردها نشان می‌دهد طول کانال ترانزیستورها در سل 2013 میلادی به 32 نانومتر و در سال 2016 میلادی به 22 نانومتر برسد. همان طور که ملاحظه می‌کنیم، ابعاد ترانزیستور مرتب کوچک و کوچک‌تر می‌شود و نقش فناوری‌نانو در الکترونیک بیش از پیش مهم جلوه می‌کند.
البته ماجرا به این سادگی هم نیست. رسیدن به ابعاد کوچکی که بیان شد، نیازمند حل مسائل و مشکلات بسیاری است. همان گونه که می‌دانیم، زمانی که از ابعاد چند ده نانومتر صحبت می‌کنیم، با تعداد محدودی اتم سر و کار داریم. اندازه‌ی اتم سیلیسیوم که عنصر اصلی در ساخت مدارهای الکترونیکی امروزی است، حدود 2/0 نانومتر است. اگر فاصله‌ی مربوط به پیوند اتمی را هم در نظر بگیریم، می‌بینیم که در این ابعاد مطرح شده برای طول کانال، کار بسیار دشواری را پیش رو داریم. چرا که کار با چند ده اتم، مسائل پیش‌بینی نشده‌ی بسیاری به دنبال خواهد داشت. در واقع در این ابعاد اتفاقاتی می‌افتد که در ابعاد بزرگ‌تر به سادگی قابل صرف نظر کردن است. ولی اکنون نمی‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. این مشکلات را مسائل کوانتومی می‌گوییم.
مشکل دیگر، فناوری ساخت ترانزیستور در این ابعاد است. فنون و ابزارهای ساخت مدارهای مجتمع باید تغییرات اساسی بیابند. در این راه باید ابداعات و خلاقیت‌های زیادی انجام گیرد تا دسترسی به آن چه پیش‌بینی شده، امکان‌پذیر شود. برای اینکه بتوانیم در این باره دقیق‌تر صحبت کنیم، لازم است ابتدا با فناوری ساخت مدارهای مجتمع الکترونیکی آشنا شویم. ما در چند مقاله‌ی بعدی درباره‌ی فناوری ساخت مدارهای مجتمع بیشتر صحبت می‌کنیم.

منبع:

http://www.nanoclub.irاین ماجرا ادامه دارد ...

1- مقدمه
گفتیم یکی از اصلی‌ترین نقشهای ترانزیستور در مدارهای الکترونیکی، استفاده به عنوان کلید است. این ویژگیِ ترانزیستور آن قدر مهم و پرکاربرد است که اساس کار بسیاری از قطعات الکترونیکی نظیر پردازشگر مرکزی رایانه (CPU)، انواع حافظه (RAM, ROM, FLASH) و ... است. در مقاله‌ی «نقش ترانزیستور در الکترونیک(1)» ساختار ترانزیستوری چند گیتِ NOT، AND و OR را بیان کردیم و درباره‌ی عملکرد هر یک از آن‌ها به صورت مختصر سخن گفتیم.
در این مقاله می‌خواهیم درباره‌ی ساختار و عملکرد یک واحد پردازش اصلی و بسیار پرکاربرد در رایانه صحبت کنیم. اما قبل از آن لازم است علاوه بر سه گیتِ NOT ، AND و OR با گیت دیگری هم آشنا شویم. نام این گیت، XOR است.

2- عملکرد گیت‌های پایه
قبل از آشنایی با گیت XOR، به منظور یادآوری، یک بار دیگر عملکرد سه گیتِ NOT ، AND و OR را مرور می‌کنیم.

تصویر1- تصویر شماتیک عملکرد گیت‌های NOT ، AND و OR

تصویر1 را مشاهده کنید. گیتِ NOT (ستون اول تصویر 1)، یک ورودی دارد. اگر ورودیِ آن صفر باشد، خروجی یک می‌شود و اگر ورودیِ آن یک باشد، خروجی صفر می‌شود. گیتِ AND (ستون دوم تصویر 1)، حداقل دو ورودی دارد. برای این که خروجی آن یک باشد، باید همه‌ی ورودی‌ها، یک باشند. در غیر این صورت خروجی آن صفر خواهد بود. گیتِ OR (ستون سوم تصویر 1) نیز حداقل دو ورودی دارد. برای این که خروجی آن یک باشد، کافی است حداقل یکی از ورودی‌ها یک باشد. به بیان دیگر خروجی آن فقط در صورتی صفر است که همه‌ی ورودی‌ها صفر باشند (در تصویر1 یک گیتِ OR را با دو ورودی مشاهده می‌کنیم).
گیتِ XOR، مانند گیتِ OR حداقل دو ورودی دارد. نماد مداری گیت XOR را در تصویر2 می‌بینیم. ما در این مقاله، به علت سعی در خلاصه‌گویی، به ساختار ترانزیستوری گیت XOR اشاره نمی‌کنیم اما لازم است که نحوه عملکرد آن‌را بدانیم. برای این که خروجیِ این گیت یک باشد، باید تعداد یک‌های ورودی عددی فرد باشد. یعنی اگر تعداد یک‌های ورودی عددی زوج باشد، خروجی آن صفر خواهد بود. در تصویر2، عملکرد شماتیک یک XOR با دو ورودی و یک XOR با سه ورودی را مشاهده می‌کنیم.

تصویر2- عملکرد شماتیکِ گیت XOR با دو ورودی و سه ورودی

3- ساختار و عملکرد یک جمع‌کننده
خُب همان طور که قول داده بودیم اکنون که با عملکرد گیت‌های پایه آشنا شدیم، می‌خواهیم درباره‌ی یکی از اصلی‌ترین واحدهای پردازش، یعنی جمع‌کننده، صحبت کنیم. جمع‌کننده یک واحد پردازش اصلی است که در پردازشگر مرکزی همه‌ی رایانه‌ها به صورت فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته جمع‌کننده در سایر وسایل الکترونیکی نظیر ماشین حساب و ... نیز کاربرد بسیاری دارد.
در تصویر3 ساختار یک جمع‌کننده را مشاهده می‌کنیم. این تصویر، جمع‌کننده را در حال جمع زدن دو عددِ سه رقمی با یکدیگر نشان می‌دهد (ما در این مقاله درباره‌ی مبحث گسترده‌ طراحی این جمع‌کننده و سایر واحدهای پردازش صحبت نمی‌کنیم. علاقه‌مندان می‌توانند برای آشنایی بیشتر به کتاب‌های طراحی دیجیتال یا مدار منطقی رشته‌ی مهندسی برق یا کامپیوتر مراجعه کنند!). این دو عدد در مبنای 2 با یکدیگر جمع می‌شوند.

تصویر3- ساختار یک جمع‌کننده

با استفاده از یک مثال ساده می‌توانیم عملکرد این جمع‌کننده را توضیح ‌دهیم. فرض کنید می‌خواهیم دو عددِ و را که دو عدد در مبنای 2 هستند، با یکدیگر جمع کنیم. در تصویر4 فرآیند جمع کردنِ دستیِ این دو عدد را مشاهده می‌کنیم.

تصویر4- فرآیند جمع کردنِ دستیِ دو عددِ سه رقمی در مبنای 2

اکنون همین دو عدد را در ساختار جمع‌کننده قرار می‌دهیم. تصویر5 را ملاحظه کنید. در این تصویر ورودی‌های مورد نظر اعمال شده و خروجی هر گیت نیز در تصویر مشخص شده است. خروجی مورد نظر مطابق آن چه انتظار داشتیم، تولید شده است. آیا می‌توانید بگویید که این خروجی چگونه تولید شده است؟

تصویر5- فرآیند جمع کردن دو عدد سه رقمی در یک جمع‌کننده

به تصویر5 نگاه کنید. از سمت راست شروع می‌کنیم؛ خروجی اول (اولین عدد صفر که با رنگ سبز در سمت راست مشخص شده) خروجی یک XOR است. چون در ورودی XOR دو عدد یک وجود دارد، پس خروجی آن صفر می‌شود. (یادتان هست که خروجی XOR در صورتی یک می‌شود که تعداد یک‌های ورودی فرد باشد.) پس از آن 3 گیت AND هست. خروجی AND اول، یک است، چون هر دو ورودی آن یک است. اما خروجی AND دوم و سوم برابر صفر است، چون در هر دو، یک ورودی یک و ورودی دیگر صفر است. خروجی گیت OR هم یک می¬شود، چون برای یک شدن خروجی OR، یک بودنِ یکی از ورودی‌ها کافی است.
به این ترتیب عملکرد یک سوم جمع‌کننده را ملاحظه کردیم. عملکرد بقیه‌ی جمع‌کننده نیز نظیر همین قسمت است. فقط کافی است عملکرد گیت‌های AND، OR و XOR را به یاد داشته باشید. برای این منظور می¬توانید از تصاویر1 و 2 استفاده کنید.

در یک رایانه عملیات‌های پردازشی بسیارِ دیگری نیز نظیر تفریق، ضرب، تقسیم، مقایسه و ... انجام می‌شود. همه‌ی این عملیات‌های پردازشی در واحدهای پردازش گوناگونی انجام می‌شود که همگی آن ها از ترانزیستورها تشکیل شده‌اند. علاوه بر این، عملیات‌های منطقی و کنترل قسمت‌های گوناگون رایانه نیز توسط قطعات الکترونیکی انجام می‌شود که همگی از ترانزیستور ساخته شده‌اند. همچنین حافظه‌ها نیز که از عناصر اصلی رایانه‌ها هستند، نوعی قطعات الکترونیکی هستند که با توجه به حجم‌شان از هزاران، صدها هزار یا حتی میلیون‌ها ترانزیستور تشکیل شده‌اند.

به منظور طراحی واحدهای پردازش، روش‌های متنوع و گوناگونی وجود دارد، که بیان آن ها در موضوع این مقاله نمی‌گنجد. ما در این مقاله قصد داشتیم به منظور درک بیشتر نقش و اهمیت ترانزیستور، یک مثال واقعی را بیان کنیم. همان طور که در این مثال دیدیم، ترانزیستور سنگ بنای اصلی ما در طراحی و ساخت بسیاری قطعات الکترونیکی است.
ما در مقاله‌ی بعد درباره‌ی اندازه‌ی ابعاد ترانزیستور صحبت خواهیم کرد. همچنین خواهیم گفت که ظهور فناوری‌نانو موجب چه تغییراتی در ابعاد ترانزیستور شده است. چرا تلاش می‌کنیم ابعاد ترانزیستور را به محدوده‌ی نانو متر نزدیک کنیم؟ از فواید بسیار فناوری‌نانو در این گستره از الکترونیک می‌گوییم و چالش‌های روبروی آن را مختصری بیان می‌کنیم.

این ماجرا ادامه دارد ... منبع:http://www.nanoclub.ir