เล่มที่ 32
นาโนเทคโนโลยี
สามารถแชร์ได้ผ่าน :
นาโนอิเล็กทรอนิกส์ และนาโนคอมพิวเตอร์

            อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องและสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด เพราะคอมพิวเตอร์ทำงาน ด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีส่วนประกอบสำคัญ คือ ทรานซิสเตอร์ (transistor) คอมพิวเตอร์ในยุคแรกๆ มีขนาดใหญ่มาก ประมาณเท่าขนาดห้อง แต่เมื่อระบบอิเล็กทรอนิกส์พัฒนาขึ้น ทำให้คอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จนปัจจุบัน มีขนาดเล็กเท่าฝ่ามือ แต่มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าเดิมหลายพันเท่า ทั้งในแง่ของความเร็ว ความเสถียร และความจุของหน่วยความจำ


คอมพิวเตอร์เครื่องแรกของโลก ชื่อ ENIAC ที่มีขนาดเท่าห้องเรียน สร้างโดย จอห์น มอชลีย์ (John Mauchley) และ จอห์น เพรสเพอร์ เอกเกิร์ต (John Presper Eckert) เมื่อ พ.ศ. ๒๔๙๐

            ตัวบ่งชี้สำคัญที่สะท้อนถึงศักยภาพ หรือความก้าวหน้าของคอมพิวเตอร์ คือ จำนวนทรานซิสเตอร์ที่ถูกเชื่อมต่อประสานกันเข้า เป็นระบบวงจรรวม (integrated circuit หรือ IC) ระบบวงจรรวมนี้ มีลักษณะเป็นแผ่นรูปเหลี่ยม และมีขาจำนวนมาก มักเรียกตามลักษณะรูปร่างว่า ชิป (chip) กอร์ดอน มัวร์ (Gordon Moore) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เป็นบุคคลหนึ่ง ที่ร่วมก่อตั้งบริษัทอินเทล ซึ่งผลิตระบบวงจรรวม ที่ให้ทำงานในเครื่องคอมพิวเตอร์ ได้ให้คำทำนายแนวโน้มจนเป็นที่รู้จักกัน ในชื่อว่า กฎของมัวร์ โดยกล่าวว่า จำนวนทรานซิสเตอร์ต่อแผ่นชิปจะมีจำนวนเพิ่มขึ้นเป็น ๒ เท่าทุกๆ หนึ่งปีครึ่ง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของจำนวนทรานซิสเตอร์ตามเวลา เป็นไปตามกฎของมัวร์ ตั้งแต่อดีต จนถึงปัจจุบัน และน่าจะยังคงเป็นจริงไปอย่างน้อยในช่วง ๑๐ ปี ต่อจากนี้ ประเด็นที่เป็นปัญหาเนื่องจากการผลิตแบบเดิม หรือแบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งมีขีดจำกัด และจะทำให้กฎของมัวร์ไม่เป็นจริงตลอดไป ถ้าไม่มีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่เข้ามา กล่าวคือ


การพัฒนาคอมพิวเตอร์ให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ โดยเริ่มจากคอมพิวเตอร์แบบตั้งโต๊ะ มาเป็นแบบพกพา และเป็นแบบที่ใช้วัสดุนาโน เช่น ท่อนาโน ซึ่งอาจมีขนาดเล็กเท่าปลายนิ้ว

            หากต้องการที่จะพัฒนาคอมพิวเตอร์ตามกฎของมัวร์ ก็จะต้องอัดทรานซิสเตอร์จำนวนมาก ลงในเนื้อที่จำกัด โดยย่อขนาดทรานซิสเตอร์ให้เล็กลงมากที่สุด และอัดให้ชิดกันอย่างเต็มที่ รวมทั้ง ต้องให้ทำงานอย่างถูกต้องแม่นยำแต่จะมีปัญหา คือ ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน ไม่สามารถสร้างแบบวงจร ที่มีขนาดเล็กตามที่ต้องการได้ และแม้จะสร้างได้ ก็ไม่สามารถควบคุมเรื่องความแม่นยำ ด้วยเทคโนโลยีที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน ดังนั้น ความเป็นไปได้ในอนาคต ของวงการอิเล็กทรอนิกส์ และคอมพิวเตอร์ คือ นาโนอิเล็กทรอนิกส์ และนาโนคอมพิวเตอร์ โดยอาศัยหลักการพื้นฐาน ของนาโนเทคโนโลยีในการผลิต คือ การจัดเรียงโมเลกุล อย่างแม่นยำ และจำกัดจำนวนอะตอมที่เป็นส่วนประกอบ ของทรานซิสเตอร์ให้น้อยที่สุด


กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของจำนวนทรานซิสเตอร์ตามเวลา ซึ่งเป็นไปตามกฎของมัวร์ จะเห็นได้ว่า แนวโน้มศักยภาพของคอมพิวเตอร์ มีการเพิ่มขึ้น ๒ เท่า ในทุกๆ ๑๘ เดือน

            ผลจากการปฏิวัติทางด้านนาโนอิเล็กทรอนิกส์ และนาโนคอมพิวเตอร์ อาจก่อให้เกิดเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณ และการประมวลผลระบบใหม่ ซึ่งเชื่อว่า อาจมีศักยภาพที่จะเป็นระบบทางเลือกใหม่ในอนาคตได้ เช่น นาโนคอมพิวเตอร์เชิงกล (mechanical nanocomputer) ซึ่งอาศัยพื้นฐานการทำงานของชิ้นอุปกรณ์เกียร์ และเฟืองขนาดนาโนเป็นหลัก


แสดงการทำงานของเกียร์นาโน และเฟืองนาโน ซึ่งใช้เป็นส่วนประกอบหลักในนาโนคอมพิวเตอร์เชิงกล

            ส่วนนาโนคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ (electronic nanocomputer) มีหลักการสำคัญ คือ ออกแบบให้เป็นคอมพิวเตอร์ ที่ใช้ชิ้นส่วนองค์ประกอบที่เล็กมากๆ และทำงาน โดยใช้กระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้า ให้น้อยที่สุด รวมไปถึงการปรับสภาวะในวงจร ให้มีการใช้จำนวนอิเล็กตรอนน้อยที่สุดด้วย นอกจากนั้นวัสดุที่นำมาใช้ ต้องออกแบบให้เป็นวัสดุ ที่สามารถปรับสภาพเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ง่าย เช่น สารอินทรีย์ พวกพอลิเมอร์ หรือท่อนาโนคาร์บอน นำมาใช้แทนสารอนินทรีย์พวกซิลิคอน นอกจากนี้ ยังมี นาโนคอมพิวเตอร์ดีเอ็นเอ (DNA nanocomputer) อาศัยดีเอ็นเอ ซึ่งเป็นสารพันธุกรรม และทำงาน โดยผ่านกระบวนการของปฏิกิริยาเชิงไฟฟ้าทางชีวเคมี ส่งผลให้เกิดการสร้างรหัสและถอดรหัส ของข้อมูล รวมทั้ง นาโนคอมพิวเตอร์เชิงควอนตัม (quantum nanocomputer) ซึ่งใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัม

            ในอนาคต ระบบคอมพิวเตอร์จะพัฒนาไปเป็นรูปแบบใด ยังไม่สามารถระบุอย่างชัดเจนได้ ในขณะนี้อาจจะเป็นการผสมผสาน ของนาโนคอมพิวเตอร์ ดังที่ได้กล่าวมาข้างต้น จุดประสงค์หลักของการพัฒนานาโนคอมพิวเตอร์ คือ ต้องการระบบ ที่มีการคำนวณอย่างแม่นยำ และเชื่อถือได้ ๑๐๐ เปอร์เซ็นต์ รวดเร็ว และน่าจะเป็นระบบ ที่ทำงานคล้ายระบบประสาทหรือฉลาด รู้จักคิดแบบปัญญาประดิษฐ์ (artificial intelligence) ทำให้รู้จักตัดสินใจ ประเมินสถานการณ์ และที่สำคัญคือ สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดได้เอง หรือเตือนให้ผู้ดูแลทราบ

            ผลจากความสำเร็จในการพัฒนานาโนอิเล็กทรอนิกส์ และนาโนคอมพิวเตอร์ จะส่งเสริมให้เกิดการแข่งขัน เพื่อพัฒนาการสร้างหุ่นยนต์ที่มีศักยภาพใกล้เคียง หรือเหนือกว่ามนุษย์ ทั้งทางกายภาพและความคิด