Nanokomputery: czy komputery naprawdę mogą być mikroskopijne?

Wraz z rozwojem technologii rośnie dążenie do jak najmniejszych urządzeń. Widzimy to wszędzie wokół nas; od ewolucji superkomputerów do mikrokomputerów świat dążył do jak największego zmniejszenia skali.

Co to jest nanokomputer?

Jak sama nazwa wskazuje, nanokomputery odnoszą się do procesów obliczeniowych i urządzeń, które są naprawdę małe. Jest to termin używany do opisania manipulacji, przetwarzania i reprezentacji danych przez komputery mniejsze niż mikrometr. Urządzenia nanokomputerowe są wykonane z tranzystorów półprzewodnikowych o długości 100 nanometrów i mniejszej.

Rozbijmy to. Nanokomputery można podzielić na dwa słowa: „nano” i „obliczenia”. Informatyka to wykorzystanie komputera (sprzętu lub oprogramowania) do przetwarzania danych i wykonywania procesów algorytmicznych. Nano pochodzi od słowa nanometr. Podobnie jak centymetr i metr, nanometr jest jednostką miary długości i stanowi jedną miliardową metra.

Jak mały jest nanometr?

Powiedzenie, że nanometr to jedna miliardowa metra, może być dla ciebie bardzo abstrakcyjne. Postanowiliśmy więc odnieść to do codziennego świata.

• Nić ludzkiego DNA ma średnicę 2,5 nanometra
• Arkusz papieru ma grubość około 100 000 nanometrów
• W jednym calu jest 25 400 000 nanometrów
• Jeden nanometr to mniej więcej tyle, ile Twój paznokieć rośnie w ciągu jednej sekundy
• Pojedynczy atom złota ma średnicę około jednej trzeciej nanometra
• W skali porównawczej, gdyby średnica kulki wynosiła jeden nanometr, to średnica Ziemi wynosiłaby około jednego metra
• Ludzki włos ma średnicę około 75 mikronów (w skrócie 75 μm) lub 75 000 nm (nanometrów)

Nanotechnologia i nanokomputery

Nanotechnologia to wykorzystanie niezwykle małych rzeczy, takich jak atomy i molekuły, do tworzenia systemów, struktur i urządzeń. Obejmuje badanie (nauka i inżynieria) materii o wymiarach od jednego do stu nanometrów.

Nanokomputer to komputer z naprawdę małymi obwodami, które można zobaczyć tylko za pomocą mikroskopu. Nasze obecne gadżety wykonane są z półprzewodników o długości poniżej stu nanometrów. Nanokomputery działają poprzez przechowywanie danych w kropkach kwantowych lub spinach.

Z czego zrobiony jest nanokomputer?

Jak większość komputerów, nanokomputery są wykonane z chipów komputerowych, a jedyną różnicą jest to, że są one znacznie mniejsze niż znane ci mikroczipy. Chipy komputerowe są wykonane z półprzewodnika zwanego krzemem.

W miarę upływu lat i dążenia do tworzenia jeszcze mniejszych urządzeń coraz więcej tranzystorów jest wciskanych w krzem. Nowoczesne procesory zawierają miliardy tranzystorów połączonych cienkimi przewodami miedzianymi. Każdy tranzystor służy jako włącznik/wyłącznik, wysyłający, odbierający i przetwarzający informacje oraz kontrolujący prąd przez układ.

Związane z: Co to jest procesor i co robi?

Zalety nanokomputerów

Nanokomputery to procesy obliczeniowe przeprowadzane przez urządzenia przeskalowane o dziesięć lub sto jednostek do mniej niż stu nanometrów. To zmniejszanie zwiększa funkcjonalność obwodu wykładniczo do dziesięciu tysięcy razy.

Oznacza to również milionowe zwiększenie mocy obliczeniowej urządzenia. Prowadzi to do mniejszego zużycia energii i dłuższej żywotności baterii. Zbędne byłoby również tworzenie mniejszych skrzynek i wentylatorów do chłodzenia obwodów.

Nanokomputery są również znacznie szybsze niż inne mikrokomputery i są w stanie wykonywać obliczenia, których inne komputery nie byłyby w stanie wykonać. Ich zmniejszony rozmiar jest również dodatkową zaletą, ponieważ stają się mniejsze, lżejsze i łatwe do przenoszenia. Są one również odporne na hałas i inne zakłócenia.

Wady nanokomputerów

Chociaż nanokomputer ma wiele zalet, ma też swoje wady. Wytwarzanie urządzeń działających w oparciu o nanotechnologię jest bardzo kosztowne i trudne. Skalowanie urządzeń do mikroskopijnych rozmiarów wymaga poziomu technicznego i specjalistycznej wiedzy, który można osiągnąć tylko dzięki dużym funduszom.

Nanokomputery stanowią również zagrożenie dla obecnej gospodarki. Pojawienie się nanotechnologii, podobnie jak wielu innych nowych technologii, powoduje istotne zmiany w wielu dziedzinach gospodarki. Na początku nanokomputery byłyby drogim luksusem i nieosiągalne, ale z czasem stałyby się bardziej popularne i powszechne. Miałoby to ogromny wpływ na rynek, ponieważ technologie i firmy, które nie dostosowują się lub nie ulepszają, wypadłyby z rynku. A to może doprowadzić do utraty pracy.

Wadą byłby również mikroskopijny charakter nanokomputerów, ponieważ są one praktycznie niewykrywalne. Nanokomputery można również przekształcić w mikroskopijne urządzenia rejestrujące i potajemnie nagrywać i naruszać prywatność ludzi bez żadnego wykrycia.

Zastosowania nanokomputerów

Zalety nanokomputerów sprawiają, że są one przydatne w różnych dziedzinach i procesach. Szybsze procesy obliczeniowe zapewniają wyższy poziom dokładności w opracowywaniu uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji, przewidywania wzorców pogodowych i rozpoznawania złożonych liczb na obrazach.

Dwa główne zastosowania nanokomputerów, jakie mamy w tej chwili, to nanokomputery DNA i obliczenia kwantowe.

Nanokomputery DNA

Nanokomputery polegają na wykorzystaniu struktur nanoskalowych do tworzenia procesów obliczeniowych. Struktury w nanoskali, takie jak białko i DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy), można wykorzystać do produkcji nanokomputerów.

Obliczenia DNA polegają na wykorzystaniu DNA, sprzętu do biologii molekularnej i biochemii do wykonywania procesów obliczeniowych zamiast tradycyjnych obliczeń elektronicznych, które wykorzystują chipy krzemowe. Informacje w DNA są reprezentowane za pomocą czteroznakowego alfabetu genetycznego (A [adenina], G [guanina], C [cytozyna] i T [tymina]), zamiast liczb binarnych (1 i 0) używanych przez tradycyjną elektronikę komputery.

W przypadku zastosowania do oddzielnych i niesekwencyjnych zadań, nanokomputer DNA jest lepszy niż tradycyjny komputer elektroniczny, ponieważ może przechowywać większą ilość danych w pamięci i wykonywać wiele operacji w pewnego razu. Nanokomputery DNA są znacznie szybsze niż ich elektroniczne odpowiedniki.

Nanokomputery DNA mają zastosowanie w medycynie kontrolowanie dostarczania leków do krwiobiegu i wykrywanie przeciwciał w układzie odpornościowym danej osoby.

Obliczenia kwantowe

Podobnie jak w przypadku nanokomputerów DNA, zamiast tradycyjnych chipów krzemowych do wykonywania procesów obliczeniowych stosuje się bity kwantowe lub kubity. Bit kwantowy (kubit) to podstawowa jednostka informacji kwantowej. Jest to kwantowa wersja klasycznego bitu, ale może przechowywać więcej informacji niż bit.

Obliczenia kwantowe to takie, w których procesy obliczeniowe zależą w dużej mierze od zasad teorii kwantowej, tj. Zachowania energii na poziomie atomowym i subatomowym. Podczas gdy komputery używają jedynek i zer do kodowania informacji, obliczenia kwantowe wykorzystują kubity, które mogą istnieć w więcej niż jednym stanie (jako 1 i jako 0) naraz.

Komputery kwantowe są wyjątkowo szybsze od tradycyjnego komputera. Obliczenia kwantowe można wykorzystać do poprawy uczenia maszynowego, symulacji reakcji na leki, poprawy logistyki transportu i modeli finansowych oraz przetwarzania dużej ilości danych z dużą prędkością.

Nanokomputery i przyszłość

Nanocomputing to gałąź nanotechnologii, która polega na zmniejszaniu systemów i struktur obliczeniowych do kilku nanometrów. Chociaż może minąć kilka dekad, zanim radykalna technologia nanokomputerowa stanie się dostępna komercyjnie, nanokomputery zrewolucjonizują sposób działania i budowy komputerów.

Co oznacza niedawny niedobór chipów dla branży inteligentnego domu?

Przyglądamy się bliżej, jak niedawny niedobór może wpłynąć na rozwijającą się branżę inteligentnych domów.

Czytaj dalej

O autorze