ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการปฏิวัติเทคโนโลยีสารสนเทศได้ปรับปรุงชีวิตของเรา แต่ถ้าเราไม่พบรูปแบบใหม่ของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานน้อยลง การประมวลผลจะถูกจำกัดด้วย “พลังงานวิกฤต” ภายในหลายทศวรรษ แม้แต่เหตุการณ์ที่พบบ่อยที่สุดในชีวิตประจำวันของเรา เช่น การโทรออก ส่งข้อความ หรือเช็คอีเมล ก็ใช้พลังการประมวลผล งานบางอย่าง เช่น การดูวิดีโอ ต้องใช้การประมวลผลจำนวนมาก และใช้พลังงานมาก
เนื่องจากพลังงานที่ต้องใช้ในการขับเคลื่อนศูนย์ข้อมูลขนาดมหึมา
และเครือข่ายขนาดโรงงานที่เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต คอมพิวเตอร์จึงใช้ไฟฟ้าไปแล้ว 5% ของพลังงานไฟฟ้าทั่วโลก และภาระไฟฟ้านั้นเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ ทศวรรษ ตัวอย่างเช่น สมาร์ทโฟนได้กลายเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่สำคัญที่สุดในชีวิตของเรา เราใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อเข้าถึงการพยากรณ์อากาศ วางแผนเส้นทางที่ดีที่สุดผ่านการจราจร และดูซีซันล่าสุดของซีรีส์โปรดของเรา
และเราคาดว่าสมาร์ทโฟนของเราจะมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นในอนาคต เราต้องการให้พวกเขาแปลภาษาแบบเรียลไทม์ พาเราไปยังสถานที่ใหม่ๆ ผ่านทางความจริงเสมือน และเชื่อมต่อเรากับ “Internet of Things”
การประมวลผลที่จำเป็นในการทำให้คุณสมบัติเหล่านี้เป็นจริงนั้นไม่ได้เกิดขึ้นจริงในโทรศัพท์ของเรา แต่เปิดใช้งานโดยเครือข่ายเสาสัญญาณโทรศัพท์มือถือขนาดใหญ่ เครือข่าย Wi-Fi และศูนย์ข้อมูลขนาดมหึมาขนาดโรงงานที่เรียกว่า “เซิร์ฟเวอร์ฟาร์ม”
ในช่วงห้าทศวรรษที่ผ่านมา ความต้องการคอมพิวเตอร์ที่เพิ่มขึ้นของเราได้รับความพึงพอใจอย่างมากจากการปรับปรุงเพิ่มเติมในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์แบบเดิมที่ใช้ซิลิคอน: ชิปที่เล็กลง เร็วขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น เราเรียกส่วนประกอบซิลิกอนที่หดตัวอย่างต่อเนื่องนี้ว่า “กฎของมัวร์”
กฎของมัวร์ได้รับการตั้งชื่อตาม Gordon Moore ผู้ร่วมก่อตั้ง Intel ซึ่งตั้งข้อสังเกตว่า :
จำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปเพิ่มขึ้นสองเท่าทุกปีในขณะที่ต้นทุนลดลงครึ่งหนึ่ง แต่ในขณะที่เราถึงขีดจำกัดของฟิสิกส์พื้นฐานและเศรษฐศาสตร์ กฎของมัวร์ก็กำลังจะสิ้นสุดลง เราสามารถเห็นการสิ้นสุดของการเพิ่มประสิทธิภาพโดยใช้เทคโนโลยีปัจจุบันที่ใช้ซิลิคอนในปี 2020
ความต้องการความสามารถในการประมวลผลที่เพิ่มขึ้นของเราต้อง
ได้รับการตอบสนองด้วยประสิทธิภาพการประมวลผลที่เพิ่มขึ้น มิฉะนั้น การปฏิวัติข้อมูลจะช้าลงเนื่องจากความหิวกระหายพลังงาน
การบรรลุเป้าหมายนี้อย่างยั่งยืนหมายถึงการค้นหาเทคโนโลยีใหม่ที่ใช้พลังงานน้อยลงในการคำนวณ สิ่งนี้ถูกเรียกว่าเป็นโซลูชันที่ “เหนือกว่า CMOS” ซึ่งจำเป็นต้องเปลี่ยนจากเทคโนโลยี CMOS ที่ใช้ซิลิกอน (complementary metal-oxide-semiconductor) ซึ่งเป็นแกนหลักของคอมพิวเตอร์ในช่วงห้าทศวรรษที่ผ่านมา
การประมวลผลข้อมูลใช้พลังงาน เมื่อใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อดูทีวี ฟังเพลง จำลองสภาพอากาศ หรืองานอื่นๆ ที่ต้องใช้ข้อมูลในการประมวลผล จะมีการคำนวณเลขฐานสองหลายล้านรายการอยู่เบื้องหลัง มีศูนย์และศูนย์ถูกพลิก เพิ่ม คูณ และหารด้วยความเร็วที่เหลือเชื่อ
ข้อเท็จจริงที่ว่าไมโครโปรเซสเซอร์สามารถทำการคำนวณเหล่านี้ได้หลายพันล้านครั้งต่อวินาทีคือเหตุผลว่าทำไมคอมพิวเตอร์จึงปฏิวัติชีวิตของเรา
แต่การประมวลผลข้อมูลไม่ได้มาฟรี ฟิสิกส์บอกเราว่าทุกครั้งที่เราดำเนินการ เช่น การบวกเลขสองตัวเข้าด้วยกัน เราต้องจ่ายค่าพลังงาน
และต้นทุนในการคำนวณไม่ใช่ต้นทุนด้านพลังงานเพียงอย่างเดียวในการใช้งานคอมพิวเตอร์ ในความเป็นจริง ใครก็ตามที่เคยใช้แล็ปท็อปโดยวางขาอย่างสมดุลจะยืนยันว่าพลังงานส่วนใหญ่ถูกแปลงเป็นความร้อน ความร้อนนี้มาจากความต้านทานที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุ
เป็นพลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าที่นักวิจัยหวังว่าจะลดให้เหลือน้อยที่สุด
ความก้าวหน้าล่าสุดชี้ให้เห็นถึงแนวทางแก้ไข
การใช้งานคอมพิวเตอร์จะใช้พลังงานอยู่เสมอ แต่เราอยู่ไกล (หลายลำดับความสำคัญ) จากคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพเท่าที่กฎของฟิสิกส์อนุญาต ความก้าวหน้าล่าสุดหลายอย่างทำให้เรามีความหวังในการแก้ปัญหาใหม่ทั้งหมดผ่านวัสดุใหม่และแนวคิดใหม่
วัสดุบางมาก
ความก้าวหน้าทางฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ล่าสุดก้าวหนึ่งคือสามารถสร้างและควบคุมวัสดุที่มีความหนาเพียงหนึ่งหรือสองสามอะตอมได้ เมื่อวัสดุก่อตัวเป็นชั้นบาง ๆ และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนถูกจำกัดไว้ที่แผ่นนี้ เป็นไปได้ที่กระแสไฟฟ้าจะไหลโดยไม่มีการต้านทาน
มีวัสดุต่างๆ มากมายที่แสดงคุณสมบัตินี้ (หรืออาจแสดงคุณสมบัตินี้) การวิจัยของเราที่ ARC Center for Future Low-Energy Electronics Technologies ( FLEET ) มุ่งเน้นไปที่การศึกษาวัสดุเหล่านี้
การศึกษารูปทรง
นอกจากนี้ยังมีแนวคิดที่น่าตื่นเต้นที่ก้าวกระโดดซึ่งช่วยให้เราเข้าใจคุณสมบัติของการไหลของกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีการต้านทาน
แนวคิดนี้มาจากสาขาคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า “โทโพโลยี” โทโพโลยีบอกเราถึงวิธีการเปรียบเทียบรูปร่าง: อะไรทำให้เหมือนกันและอะไรทำให้ต่างกัน
ลองนึกภาพถ้วยกาแฟที่ทำจากดินเหนียวนุ่ม คุณสามารถค่อยๆ บีบและบีบรูปร่างนี้จนดูเหมือนโดนัท รูที่ด้ามจับของถ้วยกลายเป็นรูในโดนัท และส่วนที่เหลือของถ้วยจะถูกบีบให้เป็นส่วนหนึ่งของโดนัท
โทโพโลยีบอกเราว่าโดนัทและถ้วยกาแฟมีค่าเท่ากันเพราะเราสามารถแปลงร่างเป็นอีกอันหนึ่งได้โดยไม่ต้องตัด เจาะรู หรือต่อชิ้นส่วนเข้าด้วยกัน
ปรากฎว่ากฎแปลก ๆ ที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าในชั้นบาง ๆ สามารถเข้าใจได้ในแง่ของโทโพโลยี ข้อมูลเชิงลึกนี้เป็นจุดสนใจของรางวัลโนเบลประจำปี 2559และกำลังผลักดันการวิจัยทางฟิสิกส์และวิศวกรรมจำนวนมหาศาลในปัจจุบัน
เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
