Οπως μαθαίνουν τα παιδιά μας στο σχολείο, η ψηφιακή εποχή όπου ζούμε ξεκίνησε από την κατασκευή ενός τύπου τρανζίστορ (κρυσταλλοδιόδου, ελληνιστί), του «τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μετάλλου- οξειδίου- ημιαγωγού» ή ΜΟSFΕΤ, το 1960. Ηταν ένα πάμφθηνο στην κατασκευή του κυκλωματάκι πυριτίου, με τρεις ακροδέκτες. Η ιδιαιτερότητά του ήταν ότι, όταν εφάρμοζες ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στον ακροδέκτη που λέγεται «πύλη», το ρεύμα που έβγαινε από τους άλλους δύο ακροδέκτες (την «πηγή» και την «εκροή»), ελεγχόταν από ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο που σχηματιζόταν μεταξύ των τριών ακροδεκτών. Ετσι, με το ίδιο κύκλωμα, είχαμε κάτι που μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ως διακόπτης και ως ενισχυτής.
Από εκεί κι έπειτα, μάθαμε ότι με τα τρανζίστορ αυτά φτιάξαμε «λογικά κυκλώματα», που μιλούσαν μεταξύ τους με μια γλώσσα φτιαγμένη από δύο «ψηφία», το 0 και το 1, δηλαδή «ανοιχτό» και «κλειστό». Αυτή η γλώσσα των δύο ψηφίων (των bits) μας επέτρεψε να φτιάξουμε (στη δεκαετία του 1980) κυκλώματα κεντρικού ελέγχου λειτουργίας συσκευών, τους λεγόμενους μικροεπεξεργαστές, με εκατομμύρια τρανζιστοράκια ΜΟSFΕΤ κλεισμένα μέσα τους. Και τα χρόνια περνούσαν και τα εκατομμύρια των τρανζίστορ αυξάνονταν, με το μέγεθος των ψηφιακών συσκευών να μικραίνει- αντίστοιχα – ολοένα και περισσότερο.
Παλεύοντας με τον «νόμο του Μουρ»
Οπως όμως ακριβώς συμβαίνει σε κάθε παραμύθι με ευτυχισμένη αρχή, μια προφητεία έμελλε να σκοτεινιάσει το αύριο της ψηφιακής εποχής: ο λεγόμενος «νόμος του Μουρ» είπε ότι θε να ΄ρθει ο καιρός που δεν θα μπορούμε να μικρύνουμε άλλο τα τρανζίστορ , άρα και δεν θα μπορούμε να έχουμε αέναα σμικρυνόμενες και «εξυπνότερες» συσκευές. Και ο καιρός αυτός πλησιάζει γοργά: τώρα, έχουμε μικροεπεξεργαστές που εμπεριέχουν 800 εκατομμύρια τρανζίστορ, με μήκος πύλης 35 νανόμετρα (εκατομμυριοστά του μέτρου), που ανοιγοκλείνουν με συχνότητα 3 γιγακύκλων (3 GΗz). Καθώς η κλίμακα συμπύκνωσης των τρανζίστορ θα πλησιάζει τη σμίκρυνση της πύλης σε μέγεθος ενός νανόμετρου, θα αντιμετωπίσουμε αυξανόμενες καθυστερήσεις και διασπορά της ενέργειας- το λεγόμενο «μποτιλιάρισμα των διασυνδέσεων». Αρα, λίγο πριν φτάσουμε να έχουμε επεξεργαστές μικρούς όσο η ανθρώπινη τρίχα… θα γίνουν όλα μαλλιά κουβάρια.
Φυσικά, η βιομηχανία των υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών δεν περιμένει αυτή τη μαύρη ώρα με σταυρωμένα χέρια. Αντιθέτως, όλα τα ερευνητικά εργαστήριά τους, όπως και εκείνα των πανεπιστημίων, ψάχνουν να βρουν τι θα μπορούσε να υποκαταστήσει την τωρινή τεχνολογία ημιαγωγών. Ετσι, είδαμε τα πρώτα επιτεύγματα της «φωτονικής», όπου μάθαμε ότι το φως μπορεί να δαμαστεί ώστε να αναλάβουν τα φωτόνια τον ρόλο των ηλεκτρονίων. Τα φωτονικά κυκλώματα είναι πολύ πιο ευρυζωνικά από τα ηλεκτρονικά, «ξυπνάνε» πιο γρήγορα και χάνουν πολύ μικρότερο ποσοστό ενέργειας. Ομως, έχουν ένα μεγάλο μειονέκτημα: δεν έχουμε βρει ακόμη τρόπο να συμπιέζουμε το φως περισσότερο από το μισό του μήκους κύματός του. Στην περίπτωση του ορατού φωτός αυτό μεταφράζεται σε μήκος εκατοντάδων νανόμετρων. Συνεπώς, τα υπάρχοντα φωτονικά κυκλώματα είναι ακόμη πολύ πιο ογκώδη από τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά και δεν μας έχουν επιτρέψει να φτιάξουμε το φωτονικό αντίστοιχο του τρανζίστορ ΜΟSFΕΤ. Αρα, πώς θα μπορέσουμε να ανανεώσουμε την τεχνολογία των ημιαγωγών και να ανανεώσουμε την ψηφιακή επανάσταση;
Η αυγή της πλασμονικής
Από τα πανάρχαια χρόνια, όταν οι άνθρωποι κοιτούσαν ένα καλογυαλισμένο σπαθί στον ήλιο, τους θάμπωνε η λάμψη του. Εκείνο που δεν γνωρίζαμε ως την αρχή του 21ου αιώνα ήταν ότι αυτή η λάμψη ήταν κάτι… παραπάνω από το ανακλώμενο φως. Πιο συγκεκριμένα, βρήκαμε ότι πέφτοντας το φως πάνω σε μια μεταλλική επιφάνεια είναι ικανό να ξεσηκώσει ένα κύμα ελεύθερων ηλεκτρονίων, που ως τότε απλώς χόρευαν στην επιφάνεια του μετάλλου. Ο κυματισμός αυτός μετατρέπει τα φωτόνια σε… ιστιοπλόους που κάνουν σέρφινγκ σε μια θάλασσα ηλεκτρονίων. Το μεικτό πλέον κύμα φωτονίων και ελεύθερων ηλεκτρονίων βαφτίστηκε «πλασμόνια» και ο κλάδος της επιστήμης που τα μελετά ονομάζεται- από το 2001 – πλασμονική (plasmonics).
Γιατί τώρα αναφέρουμε αυτή την παραξενιά της φύσης σε συνάρτηση με τους υπολογιστές; Διότι το «πλασμονικό φως» συμπιέζεται πολύ περισσότερο από το κανονικό φως. Αρα, το μόνο που χρειαζόμαστε είναι κυκλώματα μετατροπής του φωτός σε κύματα πλασμονίων!
Η αρχή για την πραγμάτωση αυτού του «κόλπου» έγινε πριν από μισό χρόνο: στο τεύχος της 26ης Σεπτεμβρίου του περιοδικούΝature, ερευνητές από τα αμερικανικά πανεπιστήμια Ρurdue, Νorfolk και Cornell, ανακοίνωσαν ότι κατασκεύασαν το μικρότερο λέιζερ στον κόσμο. Βασιζόταν σε μια σφαίρα διαμέτρου μόλις 44 νανόμετρων και ονομαζόταν spacer (από τις λέξεις «surface plasmonamplification bystimulated emission ofradiation»). Η σφαίρα ήταν επιχρυσωμένη και, όταν έπεφτε φως επάνω της, εξέπεμπε ένα κύμα πλασμονίων. Μόλις έσβηνε το φως, η δέσμη πλασμονίων κοβόταν. Είχαμε δηλαδή τον πρώτο φωτονικό διακόπτη σε νανοκλίμακα!
Το επόμενο μεγάλο βήμα έγινε στην αρχή αυτού του χρόνου: όπως ανακοίνωσαν στο τεύχος Ιανουαρίου του 2010 του περιοδικούΝano Letters,ερευνητές του Πολυτεχνείου της Καλιφόρνιας Caltech κατασκεύασαν τον πρώτο πλασμονικό διαμορφωτή, ονόματι plasΜΟStor. Το plasΜΟStor επιτρέπει τον συγχρονισμό ή όχι των κυμάτων του φωτός και των πλασμονίων, δίνοντάς μας τη δυνατότητα να ξανασυλλαβίσουμε τα ψηφία 1 και 0, σε κυματική πλέον μορφή!
Ο κύβος ερρίφθη, λοιπόν; Παραδίδει η ψηφιακή επανάσταση τη σκυτάλη σε μια «πλασμονική εποχή»; Ισως… αν δεν την προλάβει μια ακό μη πιο ρευστή εποχή, εκείνη των «βιοχημικών υπολογιστών».
Η υγρή γοητεία των νευρώνων
Στην αποδώ μεριά του Ατλαντικού, στην πάλαι ποτέ κρατούσα τα σκήπτρα της έρευνας Ευρώπη, ένα περίεργο έργο έλαβε μόλις πρόσφατα τη χρηματοδότηση 1,8 εκατ. ευρώ από την Πρωτοβουλία Μελλοντικών και Προϊουσών Τεχνολογιών (FΕΤ) της Ευρωπαϊκής Ενωσης. Τίτλος του «Τεχνητά Υγρά Νευρωνικά Δίκτυα, από Διαμερισματοποιημένο Διεγέρσιμο Χημικό Υλικό». Δικαιούχος της χρηματοδότησης η Σχολή Ηλεκτρονικών και Επιστήμης Υπολογιστών του βρετανικού Πανεπιστημίου του Southampton, μαζί με τους συνεργάτες της- το επίσης βρετανικό Ινστιτούτο Φυσικής- Χημείας και το Πανεπιστήμιο του Βristol, αλλά και το γερμανικό Friedrich Schiller Universitat Jena και την Πολωνική Ακαδημία Επιστημών.
Τί σημαίνει αυτός ο παράξενος τίτλος και ποιος ο στόχος του τριετούς έργου; Οπως εξήγησαν οι επικεφαλής Μaurits de Ρlanque (δόκτωρ Βιοχημείας) και Κlaus-Ρeter Ζauner (δόκτωρ Μηχανικής Υπολογιστών),«αυτό που ετοιμάζουμε είναι ένας πολύ χονδροειδής, πολύ μινιμαλιστικός “υγρός εγκέφαλος”,με προοπτική ο τελικός υπολογιστής να είναι “υγρός όσο ο εγκέφαλός μας”». Δηλαδή;«Οι άνθρωποι αντιλαμβάνονται τώρα ότι οι καλύτερες διεργασίες επεξεργασίας πληροφοριών που διαθέτουμε βρίσκονται στα κεφάλια μας και,καθώς ανακαλύπτουμε ότι τα κυκλώματα πυριτίου φθάνουν στα όριά τους, χρειάζεται να διερευνήσουμε άλλες προσεγγίσεις,όπως αυτή εδώ». Μίμηση του εγκεφάλου
Πιο πρακτικά, το πρώτο βήμα των ερευνητών θα είναι να φτιάξουν σταγονίδια νερού που θα περιβάλλονται από λιπίδια και θα εμπεριέχουν μια διεγέρσιμη χημική ουσία. Το επόμενο θα είναι να συνδέσουν αυτά τα σταγονίδια σε δίκτυα, στα οποία θα επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω χημικών σημάτων. Επειτα, και με δομικό στοιχείο αυτές τις επικοινωνούσες σταγόνες, θα σχεδιάσουν αρχιτεκτονικές επεξεργασίας πληροφοριών. Στη συνέχεια, θα παγιώσουν και θα διερευνήσουν τις δυνατότητες και τους περιορισμούς αυτών των σταγονο-αρχιτεκτονικών. Πρότυπό τους; «Το σύστημά μας θα αντιγράφει κάποια χαρακτηριστικά των διαδρομών των νευρώνων στον εγκέφαλο και θα είναι ικανό να διεγείρει, να αυτοεπιδιορθώνεται και να αυτοσυναρμολογείται», λέει ο δρ De Ρlanque.
Βιοχημικά σταγονίδια, λοιπόν, σε ρόλο τρανζίστορ για έναν νευρωνικό- και πολύ υγρό- υπολογιστή. Ενα όνειρο διόλου μακρινό από εκείνο που εξήγγειλαν στην Ιαπωνία, τον Ιανουάριο του 2008, οι ερευνητές Αnirban Βandyopadhyay και Somobrata Αcharya: Είχαν πει ότι κατασκεύασαν μοριακό επεξεργαστή των 16 bit, από 17 όμοια μόρια ντουροκινίνης (DRQ), που μπορούσε να εκτελέσει εντολές ταχύτερα από οιονδήποτε υπολογιστή ημιαγωγών. Το πρόβλημά τους ήταν κυρίως το πώς θα επικοινωνούσαν αυτοί οι επεξεργαστές με τον «έξω κόσμο» και αναζητούσαν τη λύση σε φωτονικά κυκλώματα, οπότε, ξαναμπήκε στην εξίσωση η πλασμονική. Ισως τελικά να μην είναι διόλου άσχετη με αυτές τις… εξωτικές ερευνητικές κατευθύνσεις η πρόσφατη απόφαση του γνωστού Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης, ΜΙΤ: προσκάλεσε τους κορυφαίους διεθνώς επιστήμονες Τεχνητής Νοημοσύνης να συμμετάσχουν σε ένα πενταετές πρόγραμμα «αναθεώρησης του κλάδου». Στόχος τους θα είναι να ξανασκεφτούν το πώς μπορεί να επιτευχθεί η Τεχνητή Νοημοσύνη, πιάνοντας το νήμα από την αρχή. Συγκεκριμένα, αποκωδικοποιώντας οριστικά το πώς σκέφτεται ο ανθρώπινος εγκέφαλος!
Αν το καταφέρουν, δεν θα βόλευε ιδιαίτερα στους μετέπειτα πειραματισμούς τους να διαθέτουν και έναν υπολογιστή που αντί για κυκλώματα πυριτίου θα έχει μόρια και νευρώνες, όπως ακριβώς ο εγκέφαλός μας;
Μάλλον ναι, δρ… Φρανκενστάιν!
ΣΟΥΚΟΥΛΗΣ – VAN DER WAALS: 1- 0
A ν τα πλασμόνια δίνουν τη λύση στη «νανοποίηση» των φωτονικών κυκλωμάτων, δεν μπορούμε να πούμε το ίδιο για το σύνολο των δομών που θα απαιτούσε ένας υπολογιστής στη νανοκλίμακα. Και ο λόγος οφείλεται σε ένα φαινόμενο που περιέγραψε στα τέλη της δεκαετίας του 1940 ο ολλανδός φυσικός Ηendrik Casimir: στον κόσμο της κβαντομηχανικής, όταν έχεις δύο πλάκες που απέχουν απειροελάχιστα (νανο-απόσταση), ακόμη και σε απόλυτο κενό υπάρχουν δυνάμεις (ονόματι van der Waals) που έλκουν τις δύο πλάκες και τις ωθούν να κολλήσουν μεταξύ τους. Οπότε, το όραμα κατασκευής λειτουργικών και αξιόπιστων νανομηχανισμών έμοιαζε ουτοπία.
Το μέγα αυτό εμπόδιο για τη δόμηση νανο-υπολογιστών φαίνεται ότι καταλύεται έπειτα από την ανακοίνωση που έκανε, στο τεύχος Σεπτεμβρίου του 2009, τοΡhysical Review Letters,ο πρωτοπόρος της φωτονικής του Εργαστηρίου Αmes και καθηγητής στα Πανεπιστήμια Αϊόβας και Κρήτης Κώστας Σούκουλης: η ομάδα του σχεδίασε τεχνητά υλικά (της κατηγορίας τωναριστερόστροφων μεταϋλικών ) που ανακλούν τα ενεργειακά κύματα και προξενούν τη γένεση απωστικής δύναμης, έτσι ώστε να εξουδετερώνεται η δράση της όποιας ελκτικής δύναμης van der Waals.
Για να το πούμε με λόγια του μακρόκοσμου, είναι σαν να έπρεπε να στήσουμε διαστημικές βάσεις σε πλανήτη με συνθλιπτική βαρύτητα και ο Σούκουλης να μας χάρισε το μυστικό της αντιβαρύτητας!
O ΠΛΑΣΜΟΝΙΚΟΣ …ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ
Α πό τα ρωμαϊκά χρόνια, κάποιοι τυχεροί έπιναν το κρασί τους σε χρυσοποίκιλτες κούπες που… άλλαζαν χρώμα. Πώς το ξέρουμε; Από την περίφημη «κούπα του Λυκούργου» που εκτίθεται στο Βρετανικό Μουσείο. Οπως θα σας έλεγε κάθε αρχαιολόγος, το κρυστάλλινο αυτό κύπελλο είναι διακοσμημένο με ημίγλυφη αναπαράσταση του δύσμοιρου βασιλιά Λυκούργου, την ώρα που η- μεταμορφωμένη σε κληματαριά- νύμφη Αμβροσία τον τραβάει στον Κάτω Κόσμο. Εκείνο που δεν θα ήξερε να σας πει- ως την έλευση της πλασμονικής- είναι το γιατί αυτό το κύπελλο δείχνει κυανοπράσινο όταν φωτίζεται απέξω και κόκκινο όταν φωτίζεται εσωτερικά!
Η εξήγηση βρίσκεται στο ότι το κρύσταλλο του κυπέλλου εμπεριέχει νανοσωματίδια χρυσού και αργύρου. Οταν το φως προσπίπτει σε αυτό εξωτερικά, διεγείρονται πλασμονικά κύματα στα ελεύθερα ηλεκτρόνια των μετάλλων του κρυστάλλου. Οπότε, στα μάτια μας φθάνουν εξ ανακλάσεως τα σχετικά μικρότερα μήκη κύματος του ορατού φάσματος του φωτός, που η πλασμονική διέγερση του κυπέλλου απορροφά και διαχέει πρώτα. Αντιθέτως, όταν το κύπελλο δεχθεί φως εσωτερικά, το πλασμονικό κύμα απορροφά στην εσωτερική επιφάνεια τα προαναφερθέντα «κοντά» μήκη κύματος και αφήνει να φθάσουν ως εμάς μόνο τα μακρότερα, δηλαδή εκείνα του ερυθρού φάσματος.
