Design, Physical Modeling, and Circuit Verification of a 4-Bit Quasi-Delay-Insensitive (QDI) Room-Temperature Molecular Processor

द दशकों से, दुनिया के कंप्यूटर सिलिकॉन पर निर्भर रहे हैं, एक ऐसी सामग्री जिसे हर चिप में अधिक शक्ति भरने के लिए छोटा और छोटा किया जाता रहा है। हालाँकि, यह मार्ग एक भौतिक दीवार तक पहुँच रहा है। जैसे-जैसे घटक एक एकल परमाणु की चौड़ाई से भी छोटे होते जा रहे हैं, वे बिजली लीक करने लगते हैं, अत्यधिक गर्मी पैदा करते हैं, और क्वांटम भौतिकी के अजीब नियमों के कारण अप्रत्याशित व्यवहार करने लगते हैं। कंप्यूटिंग को आगे बढ़ाने के लिए, वैज्ञानिक एक अलग सीमा की ओर देख रहे हैं: आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स (molecular electronics)। यह क्षेत्र व्यक्तिगत अणुओं को बुनियादी स्विच के रूप में उपयोग करके कार्यात्मक उपकरण बनाने का प्रयास करता है, जो अत्यधिक शीतलन (cooling) की आवश्यकता के बिना कमरे के तापमान पर संचालित होते हैं। चुनौती इन सूक्ष्म, अराजक घटकों को नियंत्रित करने में निहित है। क्योंकि अणु इतने छोटे होते हैं, उनके विद्युत संकेत अनियंत्रित रूप से उतार-चढ़ाव कर सकते हैं, और पारंपरिक कंप्यूटर डिज़ाइन जो प्रत्येक क्रिया को सिंक्रनाइज़ करने के लिए एक एकल, वैश्विक क्लॉक (global clock) पर निर्भर करते हैं, अक्सर इस स्तर पर विफल हो जाते हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता एसिंक्रोनस (asynchronous) डिज़ाइनों की खोज कर रहे हैं, ऐसे सिस्टम जो मास्टर क्लॉक का उपयोग नहीं करते हैं बल्कि डेटा के सही ढंग से संसाधित होने की पुष्टि करने के लिए घटकों के बीच एक स्थानीय "हैंडशेक" (handshake) पर भरोसा करते हैं।

हाल ही में एक अध्ययन में, इंजीनियर एलहम खलेसी ने पूरी तरह से इन आणविक स्विचों से निर्मित एक चार-बिट प्रोसेसर के लिए एक पूर्ण डिज़ाइन और सिमुलेशन प्रस्तुत किया है। एकल-अणु सर्किट की अप्रत्याशिक प्रकृति से लड़ने के बजाय, यह डिज़ाइन 'फानो रेजोनेंस' (Fano resonance) नामक एक विशिष्ट क्वांटम प्रभाव का उपयोग करके उन्हें अपनाता है। यह घटना तब होती है जब एक अणु के माध्यम से यात्रा करने वाला इलेक्ट्रॉन स्वयं के साथ हस्तक्षेप करता है, जिससे करंट में एक तीक्ष्ण शिखर (peak) या गिरावट (dip) उत्पन्न होती है जिसका उपयोग तार्किक "ऑन" या "ऑफ" अवस्था को दर्शाने के लिए किया जा सकता है। शोधकर्ता ने एक ऐसे प्रोसेसर का मॉडल तैयार किया जहाँ मुख्य लॉजिक गेट्स—वे घटक जो जोड़, घटाव और तुलना जैसे बुनियादी गणित कार्य करते हैं—इन आणविक जंक्शनों से निर्मित हैं। सूचना के प्रवाह को प्रबंधित करने के लिए, सिस्टम एक चार-चरणीय संचार प्रोटोकॉल का उपयोग करता है। इस पद्धति में, एक प्रेषक और एक प्राप्तकर्ता यह पुष्टि करने के लिए संकेतों का आदान-प्रदान करते हैं कि डेटा भेजा गया है, प्राप्त किया गया है और अगले चरण पर जाने से पहले संसाधित किया गया है। यह सुनिश्चित करता है कि भले ही सर्किट का एक हिस्सा दूसरे की तुलना में थोड़ा धीमा हो, पूरा सिस्टम स्थिर और सटीक बना रहता है।

यह शोध पत्र एक चार-बिट प्रोसेसर के निर्माण का विवरण देता है, जो एक छोटा लेकिन कार्यात्मक इकाई है जो बुनियादी अंकगणितीय कार्यों को संभालने में सक्षम है। डिज़ाइन का परीक्षण कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से किया गया था जिसने आणविक चैनलों के पार इलेक्ट्रॉन परिवहन के भौतिकी को मॉडल किया। इन सिमुलेशनों ने पुष्टि की कि प्रोसेसर बिना किसी त्रुटि के दस अंकगणितीय ऑपरेशनों के एक क्रम को सफलतापूर्वक निष्पादित कर सकता है। सिस्टम कमरे के तापमान पर संचालित हुआ, जो व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है, और उच्च स्तर की विश्वसनीयता प्रदर्शित की। सिमुलेशन ने दिखाया कि प्रोसेसर बहुत बड़े सुरक्षा मार्जिन के साथ वैध डेटा और बैकग्राउंड शोर के बीच अंतर कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप गणना त्रुटियों की दर अत्यंत कम है। इस आणविक मशीन का पूरा सक्रिय कोर 0.0216 वर्ग माइक्रोमीटर के सूक्ष्म क्षेत्र को घेरता है, एक ऐसा स्थान जिसमें लगभग 1,296 व्यक्तिगत आणविक स्विच समा सकते हैं। अपने सूक्ष्म आकार के बावजूद, डिज़ाइन एक मजबूत सिग्नल गुणवत्ता बनाए रखता है, जिसमें सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात यह सुझाव देता है कि डेटा आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में भी स्पष्ट रहता है।

इस कार्य की सबसे महत्वपूर्ण खोजों में से एक यह प्रदर्शन है कि एक जटिल कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर पारंपरिक सिलिकॉन चिप्स के कठोर समय प्रतिबंधों के बिना कार्य कर सकता है। एक 'डुअल-रेल लॉजिक सिस्टम' का उपयोग करके, जहाँ दो तार सूचना के एक एकल बिट को दर्शाने के लिए पूरक संकेत ले जाते हैं, प्रोसेसर गति या वोल्टेज के उतार-चढ़ाव के लिए स्वयं को ठीक (self-correct) कर सकता है। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि सिस्टम आणविक जंक्शनों में अंतर्निहित यादृच्छिक उतार-चढ़ाव को संभाल सकता है और फिर भी गणना को सही ढंग से पूरा कर सकता है। डिज़ाइन की ऊर्जा दक्षता की भी गणना की गई, जिससे पता चला कि प्रत्येक संसाधित डेटा खंड को बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता थी। परिणाम बताते हैं कि यह दृष्टिकोण कंप्यूटिंग के लिए एक व्यवहार्य मार्ग हो सकता है क्योंकि सिलिकॉन तकनीक अपनी सीमाओं तक पहुँच रही है। हालाँकि यह कार्य अभी एक सिमुलेशन है और इसे अभी तक एक भौतिक उपकरण के रूप में नहीं बनाया गया है, लेकिन इसे सत्यापित करने के लिए उपयोग किए गए गणितीय मॉडल और भौतिक नियम कमरे के तापमान वाले आणविक प्रोसेसर की संभावना के लिए एक मजबूत आधार प्रदान करते हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि क्वांटम हस्तक्षेप प्रभावों को एसिंक्रोनस नियंत्रण विधियों के साथ जोड़कर, विश्वसनीय कंप्यूटिंग सिस्टम डिजाइन करना संभव है जो एकल अणुओं के पैमाने पर काम करते हैं।