Optik Bilgisayarlar

Işık ile

Hesaplama

Kimyacılar transistoru yeniden keşfettiler: Tek tek floresan moleküllerini farklı durumlarda devreye acıyorlar... Böylelikle optik bilgisayarlar 500 bin giga-hertz'e kadar uzanan saat frekanslarına ulaşacak ve silisyum chip'lerini gölgede bırakacaklar.

Bilgisayarın geleceği kimya laboratuvarlarında çizile-cekmiş gibi görünüyor. Sözkonusu olanın ne oldu-ğunu Münihli kimyager Robert Reiser basit bir deneyle gösteriyor. Kırmızı bir sıvıyı yavaşça içinde renksiz bir maddenin bulunduğu bardak içine döküyor. Renksiz madde sarıya dönüşüyor. Kırmızı sivili bardak ne kadar fazla boşalırsa sarı da o kadar yoğun bir hal alıyor. Seyri gayet hoş bu tip deneyler okuldaki kimya dersinden biliniyor. Burada rhodamin temelli kırmızı boyar maddenin methanol ile girdiği tepkime sonucu başlangıçtaki durumu değişiyor, yeni bir bağlantı oluşuyor. Reiser bir lamba ile renk dışında başka bir optik özelliğin de değişmiş olduğunu gösteriyor. Bardağa tutulan ışık sarı sıvının aydınlık saçmasına yol açıyor -yani sıvı floresanlaşıyor.

Sıvılarla yapılan bu deney Münih Ludwig-Maximilians Üniversitesi (LMU) organik ve makromoleküler kimya departmanı bünyesindeki bilimcilerin küçük çapta başar-

CHIP | ARALIK 2002

dan daha düzenli bir hal alacak.

Gates, bu Pen işlevlerinin gelecek Office sürümünün önemli bir bölümünü oluşturacağım duyurdu. Tablet PC piyasaya sürülürken şimdilik bir Tablet PC Office Pack indirilmeye sunuluyor.

Başka bir yenilik de, dil tanımalarının şimdilik ABD ve Uzak Doğu sürümleri için kısıtlı ses notları. Ses notu üzerinden bir dokümana konuşma ve ses eklenebiliyor. Bununla ilgili bir uygulama bazı Amerikan üniversitelerinde test ediliyor bile: Orada ders notları, metin açıklamaları ve sesli anlatımlarla öylesine hazırlanıyor ki, tüm ders skript'ler, notlar ve sesli anlatımlarla dijitalize edilmiş olarak sunuluyor.

Gene) olarak bakıldığında tablet PC tatminkar bir izlenim uyandırıyor. Gerçi kurşun kalem ve kağıda yazma duygusundan plastik kalem ve cama yazma duygusuna geçmek için alıştırma gerekiyor, ancak bundan sonra da kucağınız-daki PC klasik notebook'a çekici bir alternatif oluşturuyor. Grafik girişlerin vektörleştirilmesiyle veri miktarları telsiz ağlar İçin tahammül edilebilir ölçülerde kalıyor,

GB / Garo Antikacıoğlu, agaro@chip.com.ti-

TABLET PC'NİN KALEM İŞLEVLERİ

»Elektronik mürekkep yeni aletlerle çalışıyor

Tablet PC için anahtar uygulamanın adı Windows Journal. Elektronik yazma bloğu Office kullanımı için yeni uygulamaları olanaklı kılıyor.

Journal bir bloknot üzerinde olanaklı olan tüm İşlevleri pratik olarak gerçekleştiriyor... Klavye miadını doldurmuş durumda... Kalem İle yazılıyor, işaretleniyor, siliniyor ya da çiziliyor. Görevler işaretlenebiliyor ve göründüğü kadarıyla Outlook'a devrediliyor. Arka planda Windows Explorer üzerinden belirli içerikleri aramayı bile olanaklı kılan yazı tanıma çalışıyor. Yeni tekniğe güvenmeyenler ya da metinleri klasik biçimde İslemeyi sürdürmek isteyenler, bir metin penceresi açabilir ve sanal klavye İle de çalışabilirler.


KALEM	:İŞLEVİ:	İŞARET KALEMİ:	SİLGİ: Kalemin
Farklı kalem		Farklı çizgi ka-	arkası çevrilerek
kalınlıkları ve		lınlığı ve renk-	otomatik gerçekle-
işaret renkleri		lerle donatıl-	şiyor, farklı kalın-
seçilebiliyor.		mış, şeffaf.	lıklar da mevcut.

SEÇME ALETİ: Resim bölümleri kement ile işaretleniyor.

İŞARETLEME SİMGESİ: Önemli metin alanları farklı flamalarla vurgulanıyor.

CHIP | ARALIK 2002

rnak suretiyle nihai bir sınıra ulaşmadan, kuvantum mekaniği efektler yarıiletken Özelliklerin ansızın ortadan kalkmasına yol açacak. Çünkü elektrik bağlantılar küçüldüğü oranda, daha az kablo gibi davranıyor. Ayrıca küçültülmüş boyutlarda ve daha yüksek isleme hızlarında elekt-rosmog da artarak bir sorun halini alıyor. Yapıtaşları istenmeyen bir biçimde birbirlerini karşılıklı etkiliyor.

Silisyum yerine optik bilgisayarlar

Optik bilgisayarlar silisyum bilgisayarların yerini almak konusunda iyi bir şansa sahipler; ancak uzun bir süredir bunun için gerekli yapıtaşlarının nasıl yeterince minyatür-leştirilebileceği açıklığa kavuşmuş değildi. Profesör Langhals şimdi bunun yanıtını bulmuş gibi görünüyor: "Performans floresan boyarmaddeler bugünkü elektroniğin

kalbini oluşturan yarıiletkenlerin karşıtı."

Işık ile elektronik hesaplama makinelerinde olduğu gibi aynı şekilde hesaplanabileceğini ABD bilimcileri daha 1990 yılında göstermişlerdi. Transistorun da icat edildiği Bell laboratuvarlarında en önemli işlev elemanlarının mercekler, aynalar ve lazer ışınlarından ibaret olan optik bir bilgisayarın ilk prototipini inşa etmişlerdi.

Langhals o sıralar Münih'te boyar maddelerle araştırmalarını sürdürüyordu. Yeni fotonik teknolojisi için istenilen entegrasyon yoğunluğunu elde etmek, üstelik de mümkün mertebe moleküler temelde elde etmek için, ışığı içine alabilen ve işleyebilen yapılara gerek var. Boyarmadde molekülleri tam da bu özelliğe sahip. İçe alınan ışık enerjisinin kaybolmaması gerektiği içindir ki, yalnızca enerjiyi alabilen değil, aynı zamanda depolayabilen ve komut üzerine yeniden verebilen floresan boyarmaddeler gerekiyor. Yalnızca böylelikle devre kapalıyken de bilginin yitmemesi sağlanıyor.

500.000 GHz'lİk çalışma frekansı

Bu tip boyarmaddeler için bir kalite ölçütü depolanmış enerjinin ne kadarının yeniden geri verileceğini bildiren floresan kuvantum randımanı. LMU'daki kimyagerlerin geliştirdikleri türden yüksek değere sahip floresan boyar-maddelerde şimdiden yüzde 100'lük bir değere ulaşılıyor. Başka önemli bir kıstas ise floresan boyarmaddelerin ışık gerçekliği (fotostabilite). Bu elektroniğin dünyasında örneğin Relais'lerde olduğu gibi, elektrik şalterlerinde ulaşılabilir devre çevrimlerine tekabül ediyor.Yüksek değere sahip floresan boyarmaddeler en az 100 milyon kez ışık alabilecek ve işleyebilecek. Deneme aşamasında şimdiden hiçbir Photo indirgemenin saptanamadığı boyarmaddeler bulunuyor. Aşınmasız yapıtaşları vizyonu böylelikle yakınlaşmış oluyor.

Optik bilgisayarlardan onu bugünkü bilgisayarlardan çok çok üstün kılacak bir dizi özellik bekleniyor. Elektrik sinyalinden ışık kuvantumlarına geçiş elektrik ileten kabloların yerini optik yolların alması anlamına geliyor. Elektrik bağlantılarının tersine ışık yolları sinyaller birbirini karşılıklı etkilemeyecek şekilde kesişebiliyor. Kablolardan her bir an yalnızca hep bir sinyal gönderilebilirken, ışık ile paralel sinyal transferi mümkün: Böylece farklı dalgaboy-

GİZEMLİ: S-13

Transistor Moleküllü

Transistor moleküllerinin İnşasında kullanılan föresans boyarmaddelerin adlan perylen 3,4:9,10'dan dikarbok-simite kadardır. Münihli kimyagerler boyarmadde molekülü S-13'den yola çıkıyor (aşağıda şematik bir biçimde görülüyor). Azot moleküllerinde oturan karbon zincirleri bîr tepkimede birbirinden ayrılıyor ve başka molekül parçalarıyla yer değiştiriyor. Bunlar bir yanda Chromophor'u taşıyıcı bir malzemeye yerleştiriyor. Öteki yandaki yer değiştiren parça ise devreye açılmayı, ışık saçarlığın planlı silinmesini (154'teki grafiğe bkz.) olanaklı kılıyor. Bu molekül parçasının tam yapısı patent nedeniyle henüz gizli.

Karbon

CHIP | ARALIK 2002

Boyarmadde yoğunluğuna göre plastik kütleler laboratuvarda az ya da çok oranda aydınlık saçıyor. İçlerinde bulunan ve bu efekte yol açan floresan boyarmadde molekülleri geleceğin süper hızlı işlemcileri ve belleklerini oluşturacak hammaddeyi sağlıyor.

mada bulunuyor Münihli üniversitenin bünyesindeki organik ve makromoleküler kimya çalışma çevresi yöneticisi Prof. Dr. Heinz Langhals. Böylelikle de aynı zamanda ışık için moleküler devre elemanları arayışı motivasyonunun da nedenini de dile getirmiş oluyor. Onun tahminine göre PCIerden 10 gigahertz'lik saat frekanslarını bile başarması beklenemez. Bu alanda daha büyük bellek ve süreç verilerinin daha hızlı işlenmesi şimdiye kadar silisyum chip'ler üzerindeki bileşenlerin gitgide daha küçülmesi ile sağlanıyorlardı. Bu küçülme süreci daha atomar ölçütlere ulaş-

dığı bir devrimi gözler önüne seriyor. Burada bilimciler tek tek molekülleri planlı bir biçimde floresan durumuna geçirebiliyor. Bu kadarla da bitmiyor: Uzun test dizileri sonrasında tek tek molekülleri istendiğince floresan olan ve floresan olmayan durumlar arasında gidip gelecek şekilde devreye açılabileceği ve kapatılabileceği bir boyarmadde sentetize etmeyi de başarmış bulunuyorlar.

Silisyum teknolojisinin sonu geliyor

"Bu moleküller optik düzlemdeki transistorlardır," diye bu keşfin anlamını coşkuyla açıklıyor Reiser. Devreye açılabi-len moleküller bugünkü elektronik bilgisayarların yerini alacak optik bilgisayarlara giden yolda önemli bir adım. Elektronik bilgisayarların performansı istenildiğince yük-seltilemiyor, çünkü elektronik yapıtaşlarının minyatürleş-mesinin önüne fiziksel sınırlar dikiliyor. Uzmanlar bu sınıra on ila yirmi yıl içinde ulaşılacağından yola çıkıyor. O zaman geldiğinde silisyumun rolünü floresan boyarmad-deleri (chromophor'lar) devralabilir.

"ileri derecede gelişkin bilgisayar teknolojisinin sınırlarının farkına yüksek işleme hızlarına ve entegrasyon yoğunluklarını ulaşılmak istendiğinde varılıyor" diye açıkla-

RENK OYUNLARI: Kırmızı boyarmadde ve renksiz methanolden kimyager Reiser sarı ışıyan bir madde karışımı oluşturuyor; bu ışık saçarlığın oluşumu için basit bir deneyden ibaret.

CHIP | ARALIK 2002

154

Boyarmadde molekülü S-13'ü farklı durumlarda devreye açabilmek için, floresan özellikleriyle İlgisi olmayan molekülün bir parçası başka bir molekül parçası ile yer değiştiriyor. Belirleyici olan yer değiştiren parçanın otur-

duğu azot atomlarındaki elektronların durumu.

Eğer en yüksek yerleştiril meye maruz molekül bandı yer değiştiren parçada enerji itibariyle boyarmaddede (chromophor) olduğundan daha yük-

sekse, floresan ışık ile planlı bir biçimde ısıtılarak silinebiliyor. Eğer bu değer düşürülürse, molekül yeniden floresan hale geliyor. Bu olayın akısını beş adımdan İbaret diyagramlar gösteriyor.

Chromophor (her Chromophor'un ışık ile Yer değiştiren Uyarılmış elektron Bir hile sağdaki enerji

seferinde diyagram- ısıtılması yoluyla bîr maddenin en yüksek şimdi yerleştirilmiş seviyesini düşürüyor.

ların sol bölümü} ve elektron S1 uyarılmış yerleştirilmeye maruz temel duruma artık Sağdaki 50 bandı

yer değiştiren madde duruma yükseltiliyor. bandı geri dönemiyor. yeniden dolduruluyor,

(diyagramlarda chromophor'unkinden Böylelikle Floresan Uyarılmış elektron

sağda) SO temel daha yüksek ve sonuç siliniyor. şimdi ışık saçarak

durumunda. elektronların transferi. geriye düşebiliyor.

larında yüzlerce sinyal aynı anda bir optik kanal üzerinden transfer edilebiliyor. Üstelik ışık yolları bir chipin üçbo-yutlu inşasına da sorunsuzca olanak tanıyor.

Işık üzerinden hızlı sinyal transferi ve molekül ölçeğinde tek tek yapıtaşları arasındaki küçük mesafeler aşırı derecede hızlı chiplerin inşasını olanaklı kılacak. "Bu tip optik yapıtaşlarının çalışma frekansı yaklaşık 500.000 Gigahertz civarında" diyor profesör Langhals. Molekü-ler devreler bugünkü en küçük bilgisayar yapılarından 1000 kez daha küçük. Üstelik yeni teknolojiyi üç mekan yönünde genleştirme olanağı bire bir milyarlık bir büyüklük oranı sonucunu veriyor.

Yeni bir bilgisayar çağının kapısını açacak bu fantastik madde nasıl bir şey? Laboratuvarda uzunca kimyasal tepkimeler zinciri sonunda bir tüpden damlayan ve bir bardakta biriken şey önce bir urin numunesine benziyor. Bu durumda sarı

lapanın anlamını layıkıyle gözler önüne sermek için büyük laflara ihtiyaç var kuşkusuz. "Bir litrelik sıvı bulunan bu bardakta hepsi boyarmadde molekülü olan 1020 transistor yüzüyor" şeklinde sonucu yorumluyor kimyager Fritz Wetzel. Onun yol gösteriliciğiyle öğrenciler arzulanan boyarmaddeyi sentetize ediyor. Bunun için birçok çalışma adımı gerekiyor, ama bu adımların hepsine de kolaylıkla hakim olmak mümkün. "Bunların hepsi de bir kimyagerin el zanaatı" Wetzel'e göre. Tüm ihtiyaç duyulan maddeler ileri derecede gelişkin bir teknikle üretiliyor ve görece ucuz.

Optik chipler ucuz olacak

Floresan boyarmaddeler temelinde optik chip'ler bir kez seri olarak üretilebi-lirse, Wetzel'e göre fiyatlar oldukça düşük olacak. Silisyumun potansiyel takipçisinin henüz doğru dürüst bir adı yok. Çalışma çevrelerinde boyarmadde S-13 ni-

CHİP FABRİKASI YERİNE KİMYA LABORATUVARI: Chromatograph sütunu(arka plan) üretilmiş boyarmaddeyi temizliyor. Fraksiyon toplayıcının bardaklarında kimyager aranan bağlantıyı buluyor ve yan ürünleri ayırıyor.

CHIP ARALIK 2002

156

IŞIK YAKALAYIO: Münihli kimyagerler güneş spektrumunun olabildiğince büyük bölümlerinden yararlanmak ve çok enerji iletmek İçin renkli levhaları güneş kollektörlerinde kullanmak suretiyle pratik bir yarar sağlamışlar bile.

inşa etmek mümkün olmadan, teknoloji yüksek yoğunluklu hızla yeniden yazılabilir bellek ortamları geliştirmede kullanılabilir. Devreye açılabilir moleküller bu iş için yalnızca bir polymer kafesin düzenli biçimine getirilmek zorunda, bundan da bir CD'yi andıran bir ortam oluşabilir. Boyarmadde belleklerle yapılan ilk deneylerde molekülleri planlı bir biçimde ısıtmak suretiyle san ve protakal rengi arasında ileri geri devreye açmak başarılmış bile. Bir lazer ışını ile yoklamada bir CD'de olduğu gibi farklı renkler farklı mantıksal değerler olarak yorumlanıyor. Gerçi moleküller 500 dereceye kadar ısıtılmaya dayanıklı, ama araştırmacılar chromophor'ları yalnızca ışık yayarak devreye açıp kapamak ve böylelikle veri depolamak hedefine ulaşmak istiyor.

Teknik çözümler mühendislerin işi

Gelecekteki işlemciler de ufak lazer diyodlarının ışığıyla devreye açılacak. Bunun için planlı bir biçimde tek tek moleküllerin flörensanslığını devreye açıp kapayabilecek iki farklı dalgaboylu lazerler gerekecek. Bunu tek tek moleküllerle yapmak şimdiden laboratuvarlarda olanaklı. Oysa Münih'teki kimyagerler işlemciler geliştirmek istemiyor. "Biz chromophor'lar ve gerekli know-how sunuyoruz" diyerek sınırları çiziyor Reiser, "Teknik çözümler ve ürünler geliştirmek ise mühendislerin işi," Bunun ne kadar hızla gerçekleşeceği ise endüstrinin tümüyle yeni bir teknolojiye geçmek konusunda hazır ve istekli olup olmadığına bağımlı. Ondan sonra da ürün geliştirmeye kadar geçecek sürenin ne kadar olacağım kimse kestiremiyor - belki on, belki de yirmi yıl.

Işıyan maddenin cazibesi ve geleceği

Know-how'larıyla Langhals ve ekibi kendilerini dünya çapında önde gidiyor görüyor: Onların dışında daha kimse enerjiyi devreye açılabilir moleküller üzerinden transfer edebilmeyi başarmış değil. ABD'deki ve Japonya'daki bilimciler de tabii ki ışıyan maddeye aynı şekilde hakim olmak istiyor. Araştırma sonuçlan çoğunlukla kapalı kapılar

ardında tutuluyor, ve Münihliler de geliştirdiklerinin patentini sağlama alıncaya dek ayrıntılar konusunda hassas davranıyor.

Ama boyarmadde ile bilimciler bugünden ticaret yapıyor. Spin-Off firması Lamda Chem üzerinden Reiser ve wetzel yüzde 100'lük flore-san randımanı dolayısıyla cihaz kalibrasyonu için ayar maddesi olarak değer kazanan S-13'lü ampuller dağıtıyor.

Gelecek optik bir işlemcinin çevrebirimleri konusunda kimyagerler için yapacak daha çok iş olacak. Süper hızlı chipin yavaş elektronik ile frenlenmesinin önüne geçmek gerekiyor. Bu yüzden olanaklı olan her yerde metallerin ve yarıiletkenlerin yerini iletken polymer'ler alacak, s

MF/Garo Antikacıoğlıı, agaro@chip.com.tr Daha fazla bilgi için: www.cup.uni-muenchen.de/oc/

telemesini taşıyor. Gelecekteki kullanımı için bu boyar-madde daha da fazla modifikasyona uğrayacak. Kimyacılar belirli özelliklere sahip moleküller dizayn etmeyi şimdiden başarmış bulunuyor.

Enerji transferi ve chromophor'lar

Kısa süre içinde sentetize edilen transistor molekülleri gerçi etkileyici, ancak bunlar sıvı biçimde hemen hemen hiç de kullanılabilir değil. Oysa bilimciler bir yandan molekülleri bir polymermatrix içine yerleştirmeyi çoktan başarmış ve böylelikle katı bir biçime geçirmeyi başarmış bulunuyor. Öte yandan sinyalleri bir molekülden diğerine transfer etmeyi de başarmış durumdalar. Konvansiyonel optik yapıtaşlarıyla tabii ki yeni teknik de yarım mikrometrenin altındaki yapılarda ışık kırılması meydana geldiği için yakında sınırlarına ulaşabilirdi. Bu sınırın altında kalmayı Langhals çevresindeki çalışma gurubu bilgilerin transferi için elektromanyetik ışıma kullanılmadan kalıyor. "Yayılan ve sonra yeniden soğurulmak zorunda olan ışığın yerine biz yalnızca enerji taşıyoruz" açıklamasında bulunuyor Langhals. Bunun kuramsal temellerini kuvantum mekaniği sunuyor. Enerji transferi elektronların aynı molekül içersindeki başka atom bantlarına ya da komşu moleküllere geçişi suretiyle cereyan ediyor (154'teki kutuya bkz.). Bu

molekül mesafesinin 2 ila 3 nanometre olan Förster yarıçapı sınırları içersinde bulunduğu zaman olanaklı oluyor. Münihli kimyagerler doğrudan komşu yapıtaşlarını mekanda sabitleyerek Chromophor'ları birbirine daha da ya-kınlaştırmış bulunuyor.

Sarı sıvıdan daha çok bir polymermatrix içine yerleştirilmiş boyarrnadde bu malzemeden geleceğin tekniği olu-şacakmış izlenimini uyandırıyor. Plastik kütleler bardaklarında altın külçeler gibi işiyor. Bunlardan daha işlemciler

CHIP | ARALIK 2002