Mechaniczne bramki logiczne: Czy dźwignie mogą zastąpić tranzystory?

źródło: Science, DOI:10.1126/science.1192511

Współczesne komputery w większości pracują dzięki elektronicznym tranzystorom i nie mają zbyt wiele wspólnego z mechaniką, jednak wracając do Epoki Wiktoriańskiej można pokusić się o stwierdzenie, że Charles Babbage stworzył pierwszy mechaniczny "komputer", w skład którego wchodziły dźwignie do przemieszczania danych.

Gdy zaczęto wykorzystywać krzem w układach logicznych okazało się, że nie był w stanie sprostać wysokim temperaturom towarzyszącym przetwarzaniu danych, dlatego też krzem został wzmocniony węglikiem krzemu, który degraduje się w temperaturach dopiero rzędu 300 stopni Celsjusza. Tranzystory z węgliku krzemu są jednak nieporęczne i powolne a dodatkowo wymagają wysokiego napięcia do poprawnego funkcjonowania.

Te-Hao Lee wraz z zespołem z Case Western Reserve University postanowili rozprawić się z problemem współczesnych tranzystorów i cofnęli się z ideą do czasów Babbage'a i jego pomysłu przemieszczania wykorzystującego mechanikę.

Naukowcy opracowali mechaniczną wersję inwertera - głównego bloku wykorzystywanego do konstrukcji wielu typów bramek logicznych, które są fundamentalnym komponentem cyfrowych obwodów w komputerach. Urządzenie wykorzystuje układ nanoskalowych dźwigni zamiast tranzystorów, działających na podobnej zasadzie jak telegrafista nadający wiadomość alfabetem Morse'a, pozwalając lub blokując przepływ prądu.

Urządzenie może okazać się przełomowe ze względu na swoje właściwości. Gdy możliwości tranzystorów z wegliku krzemu się kończą (300°C) dźwignie pracują ze 100% skutecznością. Zespołowi udało się uzyskać włączanie i wyłączanie dźwigni odpowiadające obliczeniom z częstotliwością 0,5MHz w temperaturze aż 550°C.

Do pełnego sukcesu brakuje tylko jednego składnika. Zauważono, że mechaniczne dźwignie mają skłonności do łamania się już po 2 mld cykli co czynie je na tym etapie rozwoju bezużytecznymi w praktycznych aplikacjach komputerowych. Dodatkowo prędkości osiągane obecnie przez układy dźwigni są jeszcze stosunkowo wolne - wolniejsze od tranzystorów używanych we współczesnych domowych komputerach. 

Zastosowanie jednak mogą znaleźć w miejscach o krytycznych uwarunkowaniach środowiskowych, np. w silnikach rakiet kosmicznych.

Więcej informacji:

Te-Hao Lee, Swarup Bhunia, Mehran Mehregany, "Electromechanical Computing at 500°C with Silicon Carbide," Science (September 2010). Available online: http://www.science … 29/5997/1316
Paul Marks, "Steampunk chip takes the heat," New Scientist (September 10, 2010). Available online: http://www.newscie … he-heat.html
Hamish Johnston, Logic circuit takes the heat," Physicsworld (September 14, 2010). Available online: http://physicsworl … /news/43734.