مقدمه يكي از تكنيكهاي رايج در اكتشاف نفت و گاز ، لرزه نگاري است .لرزه نگاري عبارتست از ايجاد انفجار در نقاط مختلف روي زمين و ثبت لرزه‌هاي ايجاد شده، ساختار کلي لايه‌هاي زمين و مخزن بدست آورده مي‌شود. اين فرآيند بر اساس تفاوت سرعت حرکت صوت در لايه‌هاي مختلف انجام مي‌گيرد. لرزه‌نگاري به صورت يک بعدي، دو بعدي، و سه بعدي انجام مي‌شود. از اين طريق مي‌توان تشخيص داد که لايه‌هاي مختلف حاوي گاز، نفت يا آب هستند. لرزه‌نگاري چهاربعدي همان لرزه‌نگاري سه‌بعدي است که در زمان‌هاي مختلف انجام مي‌شود  و از طريق آن مي­توان نحوه پيشروي سيالات مختلف را تشخيص داد.

شكل 1. نمونه اي از سنسورهاي مورد استفاده در لرزه نگاري.

كاربرد نانوسنسورها در اين بخش به نظر مي‌رسد با کاربرد نانوتکنولوژي در ايجاد سنسورهاي جديد مي­توان ثبت لرزه‌ها را به صورت دقيق‌تر انجام داد زيرا امکان وارد کردن نانوسنسورها در لايه‌هاي مختلف زمين و ثبت لرزه‌ها از موقعيت‌هاي متنوع‌تر وجود دارد. در اين بخش يك نوع سنسورهاي صوتي مورد استفاده قرار مي­گيرد، كه ژئوفون نام دارد. اين سنسورها با ثبت اطلاعات به صورت صوتي و بازيابي آن­ها پس از عمليات لرزه­نگاري مورد استفاده قرار مي­گيرند. نانوتكنولوژي مي­تواند علاوه بر پيشرفت فوق با نانوساختار كردن ژئوفون­ها به عملكرد سريع و ثبت اطلاعات صوتي دقيق­تر منجر گردد. ونگ و مادو[1]  نشان دادند که يکي از انواع سنسورهاي ميکرو الکترومکانيکي کربني کارآيي مناسبي در گستره وسيعي از بيو­مواد و مواد شيميايي دارد. با استفاده از روش توليد اين سنسورها مي­توان ساختارهاي کربني ميکروالکترومکانيکي با "ضريب طول"[2] بزرگ­تر از10 توليد کرد. [1]  باتکنيک توليد [3]C – MEMS  مي­توان گستره وسيعي از MEMS ها و NEMS [4] ها با "ضريب طول" بالا که قابليت شارژ / دشارژ شدن توسط يون Li را دارند، توليد کرد. اين سيستم­ها پتانسيل توليد آرايه باتري­هايي از مواد هوشمند قابل سوئيچ را خواهند داشت. تکنيک توليد C – NEMS ها با استفاده از Nano Fabrication  و با کنترل روش پيروليز مي­باشد. نياز به مينياتوري کردن ساختارها، سرعتهاي بالاتر، اتلاف حرارت بهتر، مصرف توان کمتر وسازگاري بيشتر بامحيط زيست در توليد اين سنسورها باعث اقبال عمومي زياد آنها شده است. آقاي "جونگ­کيم"[5] از دانشگاه تگزاس در کنفرانس نانوتکنولوژي انجمن مهندسين برق آمريکا[6] تكنولوژي "شناوري مغناطيسي با دقت بالا "[7] را كه در بسياري از زمينه­هاي تحقيقاتي نانوتكنولوژي و ساير تكنولوژي­هايي كه براساس اندازه­گيري دقيق حركات و نيروها کار مي­کنند، مورد بررسي قرار داده است. اين تكنولوژي­ها شامل ساختن ساختارهاي نانومقياس، كاربري­ در مقياس اتمي[8] ، سرهم­بندي ميكروقطعات و آشکارسازهاي حركات لرزه­اي مي­باشند. با توجه به کاربرد گسترده تکنولوژي مورد نظر در علوم و مهندسي نانو، کاربرد آن در فعاليت­هاي بالادستي نفت از جمله لرزه­نگاري نيز محتمل است. [2] همچنين شركتهاي BP و Shell نيز براي كشف و استخراج ميدان­هاي جديد نفت و گاز ازتكنولوژي­هاي نانو در تصوير برداري لرزه­اي و لرزه­نگاري چهاربعدي استفاده مي­کنند. [3] شرکتTexas –Based Input / Output Inc.  از MEMS براي تهيه داده­هاي لرزه نگاري چاه­هاي نفت و گاز استفاده خواهد نمود. اين ابزار، داده را بصورت دقيقتر و کم­حجم­تر از ژئوفون­هاي معمولي ثبت مي کند. [4]

[1] Wang and Madau 2 Aspect ratio : نسبت طول به عرض جسم [3]Carbon Microelectro Mechanical Systems [4] Nano Electro Mechanical Systems [5]  Won jong Kim [6] IEEE [7]high-precision magnetic levitation [8] atomic-level manipulation

منبع: سايت نانو

خلاصه :
بازار انرژي با مصرف، توليد و توزيع انرژي تعريف مي‌شود. در جنبه مصرف، تقاضاي روبه رشدي از سوي مشترکان خانگي، تجاري، صنعتي و ترابري مشاهده مي‌شود. تقاضا تقريباً تابعي از قيمت جهاني انرژي (به طور برجسته نفت) و رشد اقتصاد جهاني است. بازارهاي نوظهور و در حال توسعه چين، هند، آمريکاي لاتين، آفريقا و اروپاي شرقي ظرفيت پديد آوردن يک تقاضاي باور نکردني انرژي را دارند. فشار ملاحظات زيست‌محيطي- منجمله تغييرات جهاني آب و هوا، آلودگي آب و هوا و نابودي جنگلها- صنعت را به جستجوي روشهايي تشويق کرده است، تا سطح آلايندگي محصولات جانبي و خطرات زيست‌محيطي را کاهش دهد. اينجاست که نتيجه نهايي تعامل اثرات فناوري‌نانو با فناوري‌هاي ديگر به انقلابي بزرگ خواهد انجاميد که پيش‌بيني آن مشکل خواهد بود. فناوري‌هايي که موجب اين پوياي پيچيده مي‌شوند عبارتند از: پيل‌هاي سوختي، باتري‌ها، پيل‌هاي خورشيدي (هر دو نوع فتوولتاييک و توليد کننده هيدروژن) و پيشرفت‌هاي بالقوه در کارايي توزيع نيرو.

متن اين مقاله به صورت PDF قابل دريافت مي باشد.

http://nano.ir/papers/attach/Roadmap_V4.pdf

شركت Nano Markets، بر اين اعتقاد است كه هم اكنون فناوري‌نانو تمام فناوري‌هاي انرژي كنوني را تحت تأثير قرار داده و تغيير شگرفي در تصور ما از دنياي انرژي ايجاد خواهد كرد. براي آنها كه به منابع انرژي قابل اطمينان دسترسي ندارند، راه حل‌هاي جديد مهندسي نانو كمك شاياني است تا كيفيت زندگي آنان را بهبود بخشد. فناوري‌نانو براي آنها كه از ناكارآمدي ذخيره، توليد و تبديل انرژي رنج مي‌برند منابع انرژي جديدي فراهم آورده و علاوه بر آن، هزينه توليد هر كيلووات انرژي را هم كاهش داده و يا حداقل به بهبود كيفيت توليد آن كمك خواهد كرد.
براي سرمايه گذاراني كه به بازار انرژي‌هاي جايگزين علاقه دارند، فناوري نانو گزينه مناسبي است و فرصت‌هايي را براي آنها ايجاد مي‌كند. البته در اين زمينه خطرپذيري‌هايي كه در بازار تمام فناوري‌هاي نوظهور بايد متحمل شد را نبايد از نظر دور داشت.
در اين گزارش به مرور راه‌هاي مختلف تأثير فناوري ‌نانو بر صنعت (راه‌هاي کنوني و آينده) مي‌پردازيم.
سوخت‌هاي فسيلي و نانوكاتاليزورها
علي‌رغم تمام جنجال‌هايي كه در مورد منابع انرژي جايگزين وجود دارد، بايد گفت در واقع هيچ كس قاطعانه در مورد اينكه به زودي وابستگي ما به انرژي‌هاي فسيلي قطع خواهد شد قاطعانه اظهار نظري نكرده است؛ اما در عين حال اين حرف به معناي آن نيست كه ميزان وابستگي فعلي دنيا به نفت اوپك هم همچنان در همين سطح باقي بماند. ضمن آنكه هنوز منابع گاز طبيعي و حتي زغال سنگ فراواني پيرامون ما وجود دارد.
همان طور كه مي‌دانيم از دهه 1920 به اين طرف با استفاده از روش فيشر - تروپس (Fischer Tropsch) امكان توليد سوخت‌هاي هيدروكربني مايع چه از زغال سنگ و چه از گاز فراهم شده بود اما با بالا رفتن قيمت نفت، نوع تميزي از اين سوخت ديزلي( گازوئيل) به طور تجاري توليد شد و اخيراً چنين با استفاده از نانو‌فناوري گام‌هايي در اين زمينه برداشته است. انتظار مي‌رود پروژة 2 ميليارد دلاري مايع سازي ذغال سنگ شنهوان(Shenhuan) كه ازفناوري ‌نانوكاتاليزوري آمريكا استفاده مي‌كند بتوانند به عنوان يك روش اقتصادي قابل رقابت با ديگر روش‌ها در توليد سوخت مطرح شود.
تأثير كليدي فناوري ‌نانو در اين بخش از انرژي، بهبود كارآمدي واكنش‌ها و كنترل فرآيندها به شيوه نانوساختارسازي مي‌باشد. به اين ترتيب به ازاي يك حجم معين، سطح بيشتري در معرض كاتاليزوري كه روي آن ريخته شده قرار مي‌گيرد در نتيجه باعث افزايش سرعت واكنش‌ها مي‌گردد. البته اين كار به اين سادگي هم نيست و لازم است مواد واكنش گر با سرعت مناسب، خود را به سايت‌هاي کاتاليزوري برسانند. انجام اين كار متضمن آن است كه ساختارهاي ما داراي تركيبي از مقياس‌ها باشد. اما ايجاد چنين ساختارهاي بزرگ و مجتمعي آن هم به شيوه از پايين به بالا (bottom up) كاري است كه تنها در حوزة‌ فناوري نانو قابل انجام است.
سيستم‌هاي احتراقي پيشرفته و پيل‌هاي سوختي
اخيراً پيشرفت‌هاي بسياري از ساخت و توسعه ميني‌توربين‌ها (mini- turbines) با استفاده از همان اصول و قوانين نيروگاه‌هاي بزرگ در مقياس كوچك‌تر مشاهده شده است؛ لذا تأثير فناوري نانو بر چنين فناوري جا افتاده‌اي يك تأثير متحول كننده نخواهد بود اما قطعاً كاربردهايي از فلزها، سراميك‌ها و كامپوزيت‌هاي نانوبلوري را در اين زمينه مي‌توان يافت كه موجب بهبود پارامترهايي از جمله زمان عمر قطعات خواهند شد.
اين سيستم‌ها مستقيماً با پيل‌هاي سوختي بزرگ‌تر براي استفاده‌هاي صنعتي كوچك مقياس (Smal Scale) رقابت مي‌كند. به طور كلي مي‌توان گفت پيل‌هاي سوختي از چند طريق تحت تأثير فناوري نانو قرار دارند. به عنوان مثال استفاده از فولرين در اين پيل‌ها جايگزين پليمرهاي بزرگي شده است كه در غشاهاي الكتروليتي به كار مي‌روند و به اين ترتيب امكان كار پيل سوختي حتي در دماهاي پايين تر هم فراهم شده‌است . همچنين از فولرين‌ها در غشاهاي مبادله پروتون(Proton exchange membrane) براي كمك به حركت پروتون ها استفاده مي‌شود. از کربن نانوحفره‌اي هم مي‌توان در الكترودها استفاده نمود. كه در سال‌هاي اخير شکل‌هاي جديدي از آن ساخته شده است. كاتاليزورهايي كه داراي نانوذرات هستند نيز يكي ديگر از كاربردهاي نانو در زمينه پيل‌هاي سوختي است كه از آن در جداسازي الكترون/پروتون استفاده مي‌شود.
ضمناً گفتني است كه كاربرد BuckyPaper به صورت مادة الكترودي تركيبي (Combined) و پاية كاتاليزور (Catalyst Support) بسيار موفقيت‌آميز بوده و اين در حالي است كه نانوحسگرها هم جاي خود را در زمينة آشكار سازي هيدروژن در پيل‌هاي سوختي به دست آورده‌اند. در واقع بايد گفت بعد از سال‌ها كه تغييرات قابل توجهي در زمينة پيل‌هاي سوختي وجود نداشت، فناوري نانو را مي‌توان از عوامل عمدة پيشرفت‌هاي اخير در اين زمينه دانست.
انرژي خورشيدي
امروزه انرژي خورشيدي كه داراي ابداعات جديد فناوري‌نانو مي‌باشد نيز همچون پيل‌هاي سوختي بسيار مورد توجه است. اما مشكلي كه تاكنون درباره توسعه انرژي خورشيدي علي‌رغم بازگشت سرمايه طولاني مدت آن وجود داشته، هزينه اوليه بالاي آن مي‌باشد كه بسياري را از اين كار باز داشته است. از سوي ديگر و بالعكس سيستم‌هاي فوتوولتاتيك (Photovoltaic) طي سال‌هاي اخير شاهد توسعه‌اي سريع، هم در زمينه بهبود كارآمد واقع شدن و هم در راستاي كاهش هزينه‌هاي مربوط به آن بوده است.
تا مدتها بازده كار آن هم در محيط آزمايشگاه چيزي در حد 30 درصد بود اما با بهره‌گيري از طول موج‌هاي چند گانه دانشمندان موفق به افزايش اين رقم تا 50 درصد شدند. در اين زمينه روش‌هاي متعدد جديدي كه از نانوساختارهاي مختلف استفاده مي‌كنند نويدبخش توليد پانل‌هاي خورشيدي (Solar Panels) ارزان مي‌باشد، اگر چه كه بازدهي اين پانلها در حد 5 درصد ثابت است. به اين منظور استفاده از روش‌هاي لوله‌اي (roll Processes) و حتي رنگ‌آميزي موادي كه روي ديوار بلوك‌هاي اداري واقعند مورد بحث قرار گرفته است. جالب اينكه حتي برخي پيش بيني كرده‌اند كه موادي با بازده بهتر از انواع پيل‌هاي سيليكوني امروزي توليد شود هزينة آن كه يک دهم تا يک بيستم قيمت اوليه اين قبيل پيل‌ها مي‌باشد.
چنين تلاش‌هايي در صورت وقوع، متحول کننده خواهند بود؛ چرا كه اقتصاد به تنهايي دچار جهش و رشد سريع در بسياري از نقاط جهان مي‌شود. در عين حال با در نظر داشتن دوام و طول عمر محصول بايد به ارزيابي صحيح هزينه‌ها پرداخت و اين كه يكي از ضعف‌هاي برخي از مواد جديد است.
ممكن است اين سؤال مطرح شود كه چرا بايد تصور ايجاد تحول در انرژي خورشيدي پس از سال‌ها ركورد نسبي بايد تصور كرد؟ پاسخ اين سؤال را مي‌توان در تنوع پيشرفت‌هاي ايجاد شده در فناوري‌هايي دانست كه در اين زمينه تأثيرگذار بوده و همان طوري كه شروع اوليه و توسعه پيل‌هاي سوختي را باعث شده در مورد انرژي خورشيدي هم چنين خواهد بود.
پيشرفت‌هاي اساسي ايجاد شده تاكنون در زمينه نانوساختارهاي نيمه هادي و مواد هادي الکترون كه داراي بازده بيشتر بوده‌اند، مي‌باشد كه از جمله آنها مي‌توان مواد فولريني را نام برد.
كاربرد اين مواد و نقش آنها در زمينه انرژي خورشيدي همانند كاربردشان در پيل‌هاي سوختي است به اين ترتيب كه قبل از تركيب شدن خود به خودي و بي‌فايده الكترون‌ها با حفره‌هايي كه در مسيرشان وجود دارد، آنها را از محل توليدشان دور مي‌كند.
انرژي باد، زيست توده و زمين گرمايي
براي منابع انرژي جايگزين متعدد ديگري نيز وجود دارد كه به کمک فناوري نانو استفاده از آنها بسيار عملي تر و معقول‌تر خواهد بود كه از آن جمله مي‌توان انرژي باد زيست توده (biomass) و زمين گرمايي (geothermal) اشاره كرد.
گرچه استفاده از انرژي باد يكي از قديمي‌ترين راه‌هاي توليد انرژي است اما اخيراً استفاده از دستگاه‌هاي بادي مولد برق در بسياري از كشورها و با بهبود وضعيت اقتصادي آنها رشد قابل ملاحظه‌اي داشته است . در عين حال مقدار انرژي كه يك كشور به آن نياز دارد و مي‌تواند آن را توليد كند محدود است كه اين امر به ويژه براي كشورهاي فاقد سواحل آبي گسترده به منظور ايجاد نيروگاه‌هاي برق آبي حائز اهميت بوده و مي‌توانند مقدار زيادي از زمين‌هاي دور از ساحل را به اين كار اختصاص دهند.
ممكن است به نظر عجيب برسد كه چگونه فناوري نانو كه فناوري مدرن و جديدي است مي‌تواند چيزي به قدمت نيروگاه‌هاي بادي را تحت تأثير قرار دهد؟ پاسخ اين سؤال در مواد مورد استفاده نهفته است . همان طور كه مي‌دانيم توان يك توربين بادي متناسب با مربع طول تيغة آن افزايش مي‌يابد در حال حاضر از پيشرفته‌ترين كامپوزيت‌هاي فيبركربني در اين تيغه ها استفاده مي‌شود اما در صورت استفاده از كامپوزيت هايي از نوع نانولوله‌هاي كربني در آنها، نسبت توان به وزن آنها تا چند برابر افزايش مي‌يابد.
از ديگر انرژي‌هاي جايگزين، زيست توده است كه توجه فزاينده‌اي را به خود جلب كرده است و فناوري‌نانو بر آن تأثيري همانند تأثيري است كه بر سوخت‌هاي فسيلي داشته است، مي‌گذارد؛ يعني كاتاليزورهاي بهبود يافته و جدا سازي گاز. همچنين در اين زمينه جزئيات بسياري وجود دارد كه به فناوري پيل‌هاي سوختي مربوط مي‌شود.
در اين بين، انرژي زمين گرمايي توجه كمتري را به خود جلب كرده است و بسياري آن را تنها به بخش‌هاي معيني از دنيا چون جزاير يخي محدود مي‌دانند. اما در واقع بايد گفت اين انرژي تقريباً يكي از ذخاير نامحدود انرژي به شمار مي‌آيد كه هر كجا باشيد زير پايتان قرار دارد.البته تعريفي اين گونه از اين انرژي را در حال حاضر مي‌تواند در كتاب‌هاي زمين شناسي يافت . زيرا براي رسيدن به عمق مناسب و لازم جهت استفاده از گرماي دروني زمين، فناوري حفاري موجود بايد بهبود يافته و يا اينكه ما به توان لازم جهت استفاده از گرماي زمين در سطوح بالاتر زمين دست يابيم.
از سراميك‌ها و نانوبلورهاي فلزي، مواد جديدي در دست تهيه است كه مي‌توان از آنها در فناوري حفاري استفاده نمود. اما جالب ترين پيشرفتي كه در اين زمينه رخ داده استفاده از روش تونل زني ترموالكتريكي براي توليد الكتريسيته از گرماي سطوح بالايي زمين است. هم اكنون چندين شركت براي بهره‌وري از اين فناوري ايجاد شده كه اساس آنها بر استفاده از نانولايه‌هاي عايق الكتريسيته با ابعاد بسيار دقيق و كنترل شده مي‌باشد.
بازارهايي كه اين شركت‌ها در نظر دارند موارد بسيار عادي‌تر از بازار مربوط به انرژي زمين گرمايي در مقياس بزرگ مي‌باشد. از جمله اهداف اين شركت‌ها بهره‌وري از گرماي خروجي از اگزوز موتور خودروها براي توليد الكترسيته (و افزايش بازده) است ضمن آنكه از همين فناوري و مشابه آن مي‌توان در بهره‌وري از گرمايي كه در محيط‌هاي توليد سنتي به هدر مي‌رود نيز استفاده نمود.

منبع :سايت نانو

علوم نانو و فناوري نانو بيانگر رهگذري به سوي دنيايي جديد هستند. سفر به اعماق سرزمين اتمها و مولکولها نويد دهندة اثراث اجتماعي شگفت‌انگيزي است: در علوم بنيادين، در فناوريهاي نو، در طراحي مهندسي و توليدات، در پزشکي و سلامت و در آموزش.
پيش‌بيني‌هاي گسترده در حوزه کشفيات جديد، چالشها، درک مفاهيم، حتي هنوز فرم و محتواي موضوع، مه‌آلود و اسرارآميز است. اين مقاله مي‌کوشد تا چالشهاي دنياي رياضيات را در مواجهه با دنياي شگفت‌انگيز نانو بررسي کند. به عبارت ديگر، رياضيات در معماري پازل نانو چه نقشي خواهد داشت:
همگان بر اين نکته توافق دارند که پيشرفتهاي بزرگ، مستلزم تعامل ميان مهندسان، ژنتيست‌ها، شيميدانان، فيزيکدانان، داروسازان، رياضيدانان و علوم رايانه اي ها است. شکاف ميان علوم و فناوري، ميان آموزش و پژوهش، ميان دانشگاه و صنعت، ميان صنعت و بازار بر مجموعه تأثيرگذار خواهد بود. دلايل کافي مبتني بر فصل مشترک ميان نظامهاي کلاسيک و فرهنگ ها موجود است.
اين انقلاب علمي و فناورانه، منحصر به فرد است. اين بدين معني است که مي‌بايستي نه تنها در بعد علمي، که در ساير ابعاد، نيز زيرساختهاي بنيادين با حداکثر انعطاف پذيري در برابر تغييرات را پيش‌گويي و پيش‌بيني کنيم.
دانش رياضيات به عنوان خط مقدم جبهة علم مطرح است. ويژگي بديهي رياضيات در علوم نانو «محاسبات علمي» است. محاسبات علمي در فناوريي که به عنوان فناوري انقلابي مطرح شده است. محاسبات علمي در طول، تفسير آزمايشات، تهية پيش‌بيني در مقياس اتمي و مولکولي بر پاية تئوري کوانتومي و تئوريهاي اتمي است.
همانگونه که رياضيات زبان علم است، محاسبات، ابزاري عمومي علم و کاتاليزوري براي تعاملات عميق‌تر ميان رياضيات و علوم است. يک تيم محاسبات، دربارة مدلشان و اثر محاسباتشان و تطبيق‌پذيري آن با واقعيت، به بحث مي‌پردازند. «‌محاسبات» رابطي ميان آزمايش و تئوري است. يک تئوري و يک مدل رياضي، پيش نياز محاسبات است و يک آزمايش تنها اعتبار بخش هر نوع تئوري، مدل و محاسبات است.
مدلهاي رياضي، ستونهاي راهگشا به سوي بنياد علم و تئوريهاي پيش بين هستند. مدلها، رابطهايي بنيادين در پروسه‌هاي علمي هستند و اغلب اوقات در سيستم‌هاي آموزشي به فاز مدلسازي و محاسبات، تأکيد کافي نمي‌شود. يک مدل رياضي بر پاية فرمولاسيون معادلات و نامعادلات اصول بنيادين استوار است و مدل درگير با درک کامل پيچيدگيهاي مسأله نظير، جرم، اندازة حرکت و توازن انرژي است. در هر سيستم فيزيکي واقعي تقريب اجازه داده مي‌شود، تا مدل را در يک قالب قابل حل عرضه کنند. اکنون مي‌توان مدل را يا به صورت «تحليلي» و يا بصورت «عددي» حل کرد. در اين حالت مدلسازي رياضي يک پروسه پيچيده است،زيرا مي‌بايستي دقت و کارآيي را همزمان نشان دهد.
در علوم نانو و فناوري نانو، مدلسازي نقش محوري را بر عهده دارد، بويژه وقتي که بخواهيم عملکرد ماکروسکوپي مواد را از طريق طراحي در مقياس اتمي و مولکولي کنترل کنيم، آن هم در شرايطي که درجات آزادي زياد باشد. مدلسازي رياضي يک ضرورت در اين فضاي مه آلود است. تفسير داده‌هاي آزمايشگاهي يک ضروت حتمي است. همچنين براي هدايت، تفسير، بهينه سازي، توجيه رفتارهاي آزمايشگاهي، مدلسازي رياضي ضرورت مي‌يابد.
يک مدل مؤثر، راه رسيدن به توليدات جديد، درک جديد رفتارشناسي، را کوتاه مي‌کند و تصحيح گر هوشمندي است که از نتايج گذشته درس مي‌گيرد.
مدلسازي نه تنها ويژگي منحصر به فرد رياضيات است بلکه پلي بسوي فرهنگهاي مختلف علمي است.
تئوري در هر مرحله از توسعة علم، نقش محوري دارد، ارزيابي حساسيت مدل به شرايط پروسه‌هاي فيزيکي ، و حصول اطمينان از اينکه معادلات و الگوريتمهاي محاسباتي با شرايط کنترل آزمايشگاهي سازگارند، از چالشهاي مهم است. تئوري نهايتاً بسوي تعريف نتايج و درک فيزيکي سيستم، ميل خواهد کرد و اغلب اوقات رياضيات جديدي لازم نيست تا به منظور رسيدن به درک رفتار، ساخته شود.
عبور از تئوريهاي موجود ارزشمند است و اغلب نيز اتفاق مي‌افتد. زماني مدلها، مشابه سيستم‌هاي شناخته شده هستند که دقت رياضي بالايي را داشته باشند اما در جهان شگفت ‌انگيز نانو، مدلهاي مختلف و جديد، چالشهاي جدي را در دانش رياضيات پديد مي‌آورند. تئوريهاي جديد در مقياسهاي زماني غير قابل پيش‌گوئي اتفاق مي‌افتند و تئوريهاي قدرتمند در قالبهاي عميق شکل مي‌گيرند. ميان‌برهاي اساسي لازم است تا شبيه‌سازي صورت گيرد:
طراحي در مقياس اتمي و مولکولي، کنترل و بهينه سازي عملکرد مواد و ابزار آلات، و کارآيي شبيه‌سازي رفتار طبيعي، از مهمترين چالشها است. اين چالش‌ها نويد دهندة برهم کنشهاي کامل ميان حوزه‌هاي مختلف رياضي خواهد بود.
آثار اجتماعي اين چالش‌ها زياد و متنوع خواهد بود.
منافع حاصل از مشغوليت رياضيدانان فعال، توازن با چالشهاي اصلي در زمينه رشد زيرساختهاي رياضيات، تغييرات در ساختار آموزش رياضيات، از جمله آثار ورود رياضيات به دنياي شگفت انگيز نانو خواهد بود.
جامعه رياضي مي‌بايستي اصلاح شود: تئوريهاي بنيادين، رياضيات ميان رشته‌اي و رياضيات محاسباتي و آموزش رياضيات.
رياضيات چه حوزه‌هايي را در بر خواهد گرفت؟ الگوريتمهاي اصلي در حوزه‌هاي رياضيات کاربردي و محاسباتي، علوم کامپيوتر، فيزيک آماري، نقش مرکزي و ميان بر ساز را در حوزة نانو بر عهده خواهند داشت.
براي روشن شدن موضوع برخي از اثرات رياضيات را در فرهنگ نانو بررسي مي‌کنيم:

• روشهاي انتگرال گيري سريع و چند قطبي سريع: اساسي و الزامي به منظور طراحي کدهاي مدار (White, Aluru, Senturia) و انتگرال گيري به روش Ewala در کد نويسي در حوزه‌هاي شيمي کوانتوم و شيمي مولکولي (Darden 1999)
• روشهاي« تجزيه حوزه»، مورد استفاده در شبيه‌سازي گسترش فيلم تا رسيدن به وضوح نانوئي لايه‌هاي پيشرو مولکولي با مکانيک سيالات پيوسته در مقياسهاي ماکروسکوپيک (Hadjiconstantinou)
• تسريع روشهاي شبيه سازي ديناميک مولکولي (Voter 1997)
• روشهاي بهبود مش‌بندي تطبيق پذير: کليد روشهاي شبيه پيوسته که ترکيب کنندة مقياسهاي ماکروئي، مزوئي، اتمي ومدلهاي مکانيک کوانتوم از طريق يک ابزار محاسباتي است (Tadmor, Philips, Ortiz)
• روشهاي پيگردي فصل مشترک: نظير روش نشاندن مرحله‌اي Sethian, Osher که در کدهاي قلم زني و رسوب‌گيري جهت طراحي شبه رساناها مؤثرند (Adalsteinsson, Sethian) و نيز در کدگذاري به منظور رشد هم بافت ها (Caflisch)
• روشهاي حداقل کردن انرژي هم بسته با روشهاي بهينه سازي غير خطي (الماني کليدي براي کد کردن پروتيئن‌ها) (Pierce& Giles)
• روشهاي کنترل (مؤثر در مدلسازي رشد لايه نازک‌ها (Caflisch))
• روشهاي چند شبکه‌بندي که امروزه در محاسبات ساختار الکتروني و سيالات ماکرومولکولي چند مقياسي بکار گرفته شده است.
• روشهاي ساختار الکتروني پيشرفته ، به منظور هدايت پژوهشها به سمت ابر مولکولها (Lee & Head – Gordon)

منبع سايت نانو

در اين مقاله مي کوشيم تامرزهاي نانو محاسبات را از رهگذر بررسي قابليتها و محدوديتهاي روشهاي عمده محاسباتي نشان دهيم:

 مدلسازي چند مقياسي، زمينة جديد در مدلسازي مواد نيست، در سالهاي اخير فيزيکدانان به دنبال روشهاي رياضي جهت کاهش درجات آزادي مدل‌هاي فيزيکي هستند. در حقيقت اين روش در سازگاري کامل با اين حقيقت است که چگونه مي‌بايستي درجات آزادي قابل مشاهدة سيستم را به منظور نيل به بهترين جواب و حداقل هزينه سوق داد.

اعجاز مکانيک آماري، به عنوان مثال، نشانگر اين موضوع است که رفتار مجموعه‌اي از اتمها با بي نهايت درجة آزادي با قوانين ساده‌اي بيان مي‌شود. اين روش ريشه در اين حقيقت دارد که «کار ميانگين» تقريب خوبي دارد، زماني که اغلب اطلاعات در معادلات بنيادي رفتار هزاران هزار اتم را نشان دهند. به هر صورت، زماني که ساختار ماده و نظم حاکم بر آن را در مقياس ميکرو و نانو توضيح مي‌دهيم، بسياري از اين اساس‌ها چالش‌هاي واقعي را پديد مي‌آورد. همچنين قوانين فيزيک آماري بدون داشتن نمونه‌هاي کافي اعتبار روشن نخواهند داشت. به همين ترتيب چالشهايي نظير انتقال فاز، هسته‌بندي، پلاستيسيته و مکانيک شکست، پديده‌هائي اساسي در درک رفتار شناسي ماده خواهند بود که روش‌هاي مبتني بر تکنيک‌هاي ميانگين به اطلاعات درست منتهي نخواهند شد.

با اين حال، ظهور محاسبات بزرگ مقياس، انگيزشي براي دانشمندان در جهت شناسايي رفتار ماده در جهت‌هايي جديد است که اميدوار کننده است. در عوض کاهش درجة پيچيدگيهاي مسأله به منظور کاهش درجات آزادي آن و در نهايت حل عددي مسأله که به نام روش دو جهته آزمايش- محاسبه ناميده مي‌شود هنوز نتايج آن به عنوان يک برتري پذيرفته نشده است. آنچه که به عنوان نتايج شبيه‌سازي است مي‌بايستي با نتايج آزمايشگاهي تطبيق داده شود.

اين مسأله به مدت يک دهه ميان دانشمندان محل بحث بوده است، زيرا برخي معتقدند شبيه‌سازيهاي عددي داراي تقريبات زيادي است زيرا فلسفة محاسبات عددي مي‌بايستي براي هر مسأله‌اي تحليل شود. البته اخيراً اين بحث‌ها روبه سوي همگرايي آورده است. شبيه‌سازيهاي رايانه‌اي مبتني برالگوريتمهاي پيچيده‌تر که ريشه در فيزيک کوانتوم دارند، منجر به جوابهاي مقبول‌تري شده است. اين پيشرفته‌ها که با پيشرفتهاي سخت‌افزاري نيز همراه گشته است، برخي از شک‌گرايان شبيه‌سازي را آرام کرده است. هر چند که هنوز هم توابع پتانسيل بين اتمي دقت بالاتري را در شبيه‌سازي ديناميک مولکولي بوجود مي‌‌آورد.

همچنين اندازه سيستم تحت شبيه‌سازي، بصورت نمايي رشد يافته است. ارتباط ميان مدلسازي به روش ديناميک مولکولي و "ab intio" فضاي بهتري را خلق کرده است. در مقياس «مزو»، ارتباط ميان دنياي اتمي وماکروسکوپي، تلاشهاي کمي، منجر به ايجاد توانايي کشف راه‌حلهائي براي مدلسازي رژيمهاي ممنوعه مدلسازي شده است. در طي يک دهة گذشته فقط شبيه‌سازي رايانه‌اي 2 بعدي رفتار شناسي مجموعة نابجائيها[1] مقدور بود. اطمينان به واقعيت اين روشهاي شبيه‌سازي هنوز زياد بالا نيست زيرا هنوز رفتار نابجائيهاي برد کوتاه را نمي‌توان به درستي مدلسازي کرد. با اين وجود، اين حقيقت که چندين مدل رفتار شناسي نابجائيها بوسيلة شبيه‌سازي توجيه شده است، اميدواريهائي را پديد آورده است.

اخيراً پژوهش بر روي مدلهاي پلاستيسيته در مقياس «مزو» جهت توجيه تغيير شکل پلاستيک صورت گرفته است. اين کوششها، روشهاي مدلسازي 3 بعدي را جهت توجيه رفتار ديناميک نابجائها، به همان خوبي روشهاي فيزيک آماري، پديدآورده است.

چالش اصلي در راه توسعة مدلسازي چند مقياسي يکپارچه، مسأله «مقياس اندازه»، «مقياس زمان» و «دقت» است. دقت محاسبات عددي و خودسازگاري مدلهاي چندمقياسي را در زير بررسي مي‌کنيم:

الف- مقياس اندازه:

تعداد درجات آزادي اتمي در يک سيستم ماده‌اي نوعي، بسيار زياد است و اگر کسي بخواهد يک ميکرون مکعبي را مدل کند، معادلات حرکت چند بيليون اتم رامي‌بايستي بصورت عددي حل کند.

در فضاي «زير پيوسته»[2] سيستم ماده‌اي بقدر کافي کوچک است که قابليتهاي محاسباتي مي‌تواند آن را بصورت واقعي مدل کند، از اين گذشته، چندين مدل چند مقياسي وجود دارد که مي‌تواند مدلهاي اتمي و مدلهاي پيوسته را در قالب يک ساختاريکپارچه شبيه‌سازي، مدلسازي کند.

اين روشهاي اتمي و چند مقياسي، به گونه موفقيت‌آميزي در حوزة بررسي خرابي شبکه‌اي سازة ماده در قالبتهاي استاتيک و شبه استاتيک بکار گرفته شده است. اما اگر کسي بخواهد يک سيستم را با در نظر گرفتن تمام اتمهايش مدلسازي کند، مسائل جديدي مطرح مي‌شود:

 با افزايش تعداد اتمهاي محاسباتي در يک سيستم شکل‌هاي انرژي حداقل به سرعت رشد مي‌بايد. آناليز N خوشه اتمي نشان مي‌دهد که تعداد حالات انرژي حداقل، از e^N سريعتر رشد مي‌کند، بدون اينکه مقدار تمام حالات مقدور اين مقادير حداقل را بدانيم. بسيار مشکل است تا شکل اتمي اوليه‌اي را آماده کنيم که به فيزيک واقعي سيستم نزديک باشد. مسأله شکل به ساير مشکلات حوزة زمان و دقت تعميم مي‌يابد. اگر کسي بخواهد شبيه سازي را بصورت کامل اجراءنمايد، پيچيدگي اتمي به انضمام حساسيت سيستم به موقعيت اوليه اتمها چالش‌هاي اساسي پديد مي‌آورد، از سوي ديگر عدم دقت تابع پتانسيل بين اتمي خطاهائي را درمحاسبه اشکال کمينة تابع انرژي بوجود مي‌آورد. هر دو اين مسائل، به نحو کاملاً جدي و خطيري قابليت اعتماد به شبيه‌سازي اتمي را تحت تأثير قرار داده‌اند. اگر چه پيشرفتهاي قابل توجه اخير در حوزة شبيه‌سازي «مزوئي» تعدادي از چالشها را باقي گذارده است اما به هر حال طبيعت برد بلند ميدان تنش نابجائيها، پيچيدگي توپولوژيک خطوط نابجائي‌ها، طرز رفتار شرايط مرزي تناوبي، که متضمن سازگاري آماري نتايج است، درجة دقت در حل تعاملات ميان نابجائيها و سطوح و آخالهاي ناهمسانگرد الاستيک و اثرات تعامل داخلي در ديناميک نابجائيها هنوز چالشهاي عمده‌اي هستند که در آينده‌اي نزديک دانشمندان را به چالش خواهند کشيد. مسائل مرتبط با پلاستيسيتة پلي کريستالها ميان‌برهاي اضافي را مي‌طلبد. سؤال اساسي در اين مرحله اين است، که چگونه شاخص‌هاي اندازه از فرم نابجائي گسسته بسوي توصيف فضاي پيوسته ميل خواهد کرد؟ تئوريهاي متنوعي از گراديان کرنش در سالهاي اخير مطرح شده است، اما اغلب آنها در قالب پديدار شناسي بوده‌اند. و شاخص «اندازه» را در مسأله لحاظ نکرده‌اند. به عبارت ديگر ما در اين مسأله با طيفي از اندازه‌ها مواجهيم و نه با يک اندازة ساده. از اين رو، پژوهشهاي بيشتري لازم است تا دنياي «مزو» را به دنياي «پيوسته» ارتباط دهند.

ب) مقياس زمان:

محدديت‌هاي شديد بر زمان کامل شبيه‌سازي در مدلسازي اتمي نتيجه‌اي از ديناميک اتمي ذاتي در مقياس زمان است، به گونه‌اي که نوعاً در مرتبة فمتوثانيه است.در شبيه‌سازي عددي با استفاده از اجزاءمحدود، اندازة گام مي‌بايستي به قدري کوچک باشد تا پايداري محاسبات تضمين شود. ارزيابي ريزساختارها، يک پروسة تعادلي نيست و در خلال پروسه‌هاي سنتيکي، تغييرات ساختاري پيچيده‌اي رخ مي‌دهد، بنابراين الزامي است که بصورت ديناميک يک سيستم در طول مقياس زماني آزمايش واقعي به منظور حصول دقت در ارزيابي ريزساختارها، بررسي شود.

مقياس زماني آزمايشي بسيار طولاني‌ است (در حد ميکروثانيه يا بزرگتر)، بنابراين در مقايسه با مقياس زماني اتمي بيش از بيليونها بار محاسبه لازم است تا شبيه‌سازي اتفاق بيفتد.تکنيک‌هاي متعددي جهت حل اين مشکل بکار گرفته شده است. اين تکنيکها بر اين حقيقت استوار است که مقياس زماني اتمي بوسيلة تکانة حرارتي اتمها حول يک کميتة انرژي موضعي رخ مي‌دهد. جنبش شناسي ارزيابي ريزساختارها بوسيلة انتقال آرام در همسايگي کميتة موضعي تعيين مي‌شود. روش سنتيک «مونت کارلو» موسوم به KMC يک روش عمومي به منظور چيره شدن بر اين مشکل بوده است اين روش بر اساس ارزيابي سيستم از يک آرايش به آرايش ديگر بدون تکانة حرارتي اتمها، استوار است. روش مونت کارلو نيازمند فهرست کاملي از حالات مقدور به منظور شبيه‌سازي زمان ارزيابي سيستم است. دقت روش مونت کارلو تابعي است از دقت در بيان حالات مقدور براي سيستم، اگر يک پروسة بحراني را از دست بدهيم شبيه‌سازي به سوي جواب مناسب همگرا نخواهد شد. به همين ترتيب دقت در محاسبة انتقال فاز، بخصوص در فضاي فرکتالي بحراني، بسيار تعيين کننده است.

روش ديگر براي اندازه‌گيري حد زماني در شبيه‌سازي اتمي، اصلاح روشهاي ديناميک مولکولي است به گونه‌اي که دورة تکانة حرارتي به کوتاهترين حد خود برسد و يا اينکه روشهائي را بيابيم که به جستجو براي يافتن مقادير کميتة شتاب ببخشد (نظير الگوريتم جستجو به کمک سري فيبوناچي) چندين روش اميدبخش (نظير روشهاي هيدروديناميک)، اخيراً بوجود آمده است، اما بکارگيري اين روشها براي پروسه‌هاي سيستمهاي پيچيده هنوز در مرحلة پژوهشي است. روشهاي ديگري نظير NEB[3]، از جملة روشهايي است که مي‌کوشد حالتهاي انتقال فاز را بصورت جداگانه از حالتهاي اوليه و نهايي پيشگويي کند. اين روشهاي سيستماتيک ارزيابي پروسه‌هاي شبيه‌سازي، کتابخانة مورد نيازرا براي شبيه‌سازي مونت کارلو فراهم مي‌آورد.

زمان ارزيابي ميکروساختار نابجايي، چنين مشکلاتي باز هم نمود پيدا مي‌کند، زماني که دو نابجائي در يک محيط بسته، برهم کنش مي‌کنند بصورت دوقطبي و يا اتصالي، ديناميک خيلي سريع است، به گونه‌اي که زمان در حد پيکوثانيه است . از سوي ديگر ارزيابي ديواره‌هاي سلولي نابجائيها و سرش آرام  بند[4] ها در زماني معادل هزاران ثانيه اتفاق مي‌افتد. شاخص‌هاي خستگي و خزش نيز خود چالشهاي ديگري را فراهم مي‌آورند. حرکت در چنين محدوده‌اي، از پيکو ثانيه تا کيلو ثانيه، خود،چالش آفرين است.

ج) دقت

دقت توابع پتانسيل بين اتمي در حوزة شبيه‌سازي اتمي کلاسيک (نظري ديناميک مولکولي، مونت کارلو، سنتيک مونت کارلو) يک مسأله مهم است زيرا پتانسيلهاي بين اتمي زماني قابل اعتمادند که فقط در محدودة fit"" کردن پارامترها باشند.

بنابراين سؤال اثر دقت توابع پتانسيل بين اتمي تجربي، بر پيش‌گويي شبيه‌سازيهاي اتمي بزرگ مقياس و نيز اعتبار بخشي به محاسبات يک چالش اساسي است.

مسأله دقت بوسيلة شبيه‌سازي کوانتومي حل مي‌شود اما هزينة محاسبات را افزايش خواهد داد، ولي به هر حال حوزة اعتبار هر روش را مي‌بايستي تعيين کرد. بنابراين چالش اساسي در حوزة دقت، شناسايي «کجا» و «چگونه» جهت اعمال کردن سطوح متعدد تقريبات در حوزة شبيه‌سازي است.

د) «خود – سازگاري»[5] مدلهاي چند مقياسي:

آنچه در زمان حاضر اهميت يافته است، ايجاد يک روش عمومي رياضيات محاسباتي به منظور ارائه يک روش يکپارچه شيه‌سازي رايانه‌اي است، از آنجائيکه روشهاي محاسباتي در حوزة ويژه‌اي از فضا و زمان معتبرند، از اين رو گذر از يک روش محاسباتي فضا – زماني به روش ديگر متضمن خطا خواهد بود (پازلي را در نظر بگيريد که قطعات آن را در کنار هم چيده‌ايد، اگر قطعات مجزاي پازل نمايشگر شکل واقعي آن باشند، مسأله «سازگاري» برقرار است) زيرا گذر از يک حوزه به حوزة‌ بالاتر متضمن خلاصه سازي مجموعه‌اي از پارامترهاي در مجوعه‌اي محدود است، اين پروسه زماني پذيرفته خواهد بود که پارامترهاي حوزة ريزتر و ارتباط آنها با پارامترهاي حوزة بالاتر به درستي تعريف شود، اما به هر حال، هنوز ارتباط ميان روشهاي محاسباتي در حوزه‌هاي مختلف دقيقاً معين نشده است و حلقه‌هاي حل نشده‌اي هنوز وجود دارد. اگر بتوان اساس درجات آزادي سيستم در حوزة فضا – زمان ( نظير هندسه مسأله) را به شاخص‌هاي آماري (نظير قابليت هدايت، تحرک و...) ارتباط داد، مسألة انتقال فاز از يک مقياس به مقياس ديگر قابل حل است.

هـ) افقهاي نو در مدلسازي چندمقياسي:

مسأله مدلسازي چند مقياسي زمينه‌اي غني از حوزه فيزيک، رياضيات عددي و محاسباتي و چالشهاي رياضي و محاسبات است. اين مسأله در آينده‌اي نزديک نقشي کليدي در توسعة روشهاي آناليز و طراحي فناوري نانو بازي خواهد کرد. اما بطور خلاصه مرزهاي نانومحاسبات در زمينه‌هاي زير خواهند بود:

1)      شناخت محدوديت‌هاي مسألة مقياس زمان در شبيه‌سازي اتمي

2)      محدوديتهاي اندازه در شبيه‌سازي مولکولي

3)      اثر دقت بر شبيه‌سازي مولکولي

4)      توسعة روشهاي «خودسازگار» در حوزة مدلسازي چند مقياسي

منبع:سایت نانو

يكي از پروژه‌هاي اخير اتحاديه اروپا يك ريزتراشه نشانگر[1] جديد را طراحي و توليد كرده است كه به صورت چشمگيري هزينه‌ي توليد كالاهاي بدون سيم را كاهش خواهد داد و اين بدين معناست كه طیف وسيعي از كالاهاي موجود، قابليت ارتباطات بدون سيم را پيدا خواهد كرد.

پروژه IMPACT[2] كه از طرف IST[3] حمايت مالي مي‌شود، شامل شركت‌هاي غول‌پيكر صنعتي Ericsson و Philips مي‌شود كه براي ساخت تراشه‌ای که سيگنال‌هاي ريز موج را در بازه‌ فركانس 5 تا 24 گيگاهرتز بفرستد و دريافت كند، با هم كار مي‌كنند. اين تيم طيفي از نشانگرها شامل آمپلي‌فايرها، نوسانگرها[4]، مخلوط‌کن‌‌ها[5] و تقويت كننده‌هاي فركانس را طراحی کرده‌ است.

گروه IMPACT انتظار دارد، مدارهاي آنالوگ و با فركانس بالا كشف كند كه با تراشه‌هاي CMOS 90 نانومتري قابل تطبيق باشد. اين تراشه‌ها از مدارهاي بسيار كوچك‌تر (90 نانومتر) از مدل‌هاي فعلي استفاده مي‌كند.

دكتر استفان دکوتر، مسئول هماهنگي پروژه IMPACT و محقق مركز بين دانشگاهي ميکروالكترونيك بلژيك مي‌گويد: تراشه‌ها ديجيتال CMOS و در اندازه‌های 90 نانومتر، امسال (سال 2005) قابل دسترسي خواهند بود و مي‌خواهيم بدانیم آيا مي‌توانيم آنها را در ارتباطات ريزموجي با فركانس بالا استفاده كنيم. تراشه‌هاي CMOS با فركانس بالای قديمي‌تر، از قبل در تجهيزات 4/2 گيگاهرتزي مانند فرستنده‌ها و گيرنده‌هاي بلوتوس[6] كه به طور جداگانه توسط Ericsson ، يكي از طرف‌هاي پروژه طراحی شده است، استفاده ‌شده‌اند. ولي به گفته دكتر دکوتر، نيازهايي كه براي استفاده از اين تراشه‌ها در سطوح بالا و پيچيده چون GSM يا "سامانه جهاني ارتباطات سيار" وجود دارد، دست نيافتني‌ترند. در حال حاضر اين كاربردها احتياج به راه‌حل‌هاي گران‌قيمت و چند تراشه‌اي دارد.

گروه IMPACT متوجه شده‌اند، تراشه‌هاي CMOS می‌توانند برطرف کننده نیازهای پیچیده و صعب‌الوصول لازم براي كاربردهاي ميان برد و پیشرفته‌ای چون GSM و ارتباطات ريزموجي نقطه به نقطه باشند. اين تراشه‌ها به نحو قابل‌توجهي از هزينه‌ها و ميزان مصرف انرژي خواهند كاست و بر كاربردهاي اين تجهيزات خواهند افزود.

به گفته دكتر دکوتر، ساخت اين تراشه‌ها اكنون بسيار هزينه‌بر است، ولي با گذشت زمان بسيار ارزان‌تر خواهد شد. به ديل اين كه تمام مدارها بر روی يك تراشه قرار دارد، فرآيند توليد بسيار اثر بخش‌تر خواهد بود و تراشه‌هاي CMOS فركانس بالا، در حجم وسيع و با هزينه‌هاي بسيار كمتر ساخته خواهد شد.

پتانسيل بالا

پتانسيل تراشه‌هاي CMOS در ارتباطات ريزموجي بسيار بالاست. به گفته پروفسور هربرت زیرات، يكي از اعضاي IMPACT و استاد دانشگاه فناوري سوئد، CMOS مي‌تواند در ارتباطات از راه دور و مدارهای راداری[7] چون تلفن‌هاي همراه، شبکه‌هاي داخلی  بي‌سيم (WLAN) و پيوندهايي سريع، كه تعداد زيادي از كاركردها در آنها جمع شده‌اند، كاربرد داشته باشند. از آن جا كه CMOS با توليد انبوه  بسيار اقتصادي است و مي‌تواند در كاهش هزينه‌ها بسيار مؤثر باشد.

تراشه‌هاي CMOS نوع مهمي از مدارهاي مجتمع هستند كه شامل ميكروپردازشگرها، ميكروكنترل‌کننده‌ها، حافظه‌هاي ايستا و ديگر مدارهاي ديجيتال مي‌شوند. این كاركردهاي متفاوت مي‌توانند در يك تراشه متمركز شوند كه علاوه بر كاهش هزينه‌ها، پيچيدگي تجهيزاتي چون دوربين‌هاي ديجيتال را كاهش خواهد داد.

تراشه‌هاي CMOS تنها زماني كه ترانزيستورهايشان خاموش و روشن می‌شوند، انرژي مصرف مي‌كنند. بنابراين انرژي كمتري مصرف می‌شود و دماي كمتري نسبت به تراشه‌هاي عادي توليد مي‌شود كه اين براي ارتباطات از راه دور ايده‌آل است.

به جلو راندن خط مقدم فناوري

گروه ‌IMPACT ، دو موفقيت مهم به ثبت رسانیده است. نخست آن كه آن‌ها به خصوصيات عملكردي مورد نظر در قيمت پايين‌تر و سطح پايين‌تري از مصرف انرژي دست يافته‌اند كه با فناوري‌هاي موجود قابل دسترسي می‌باشد، سپس این كه آنها از آخرين خط فناوري مدارها با فناوري CMOS فركانس بالا و آمپلي‌فايرهاي با نشانگرهاي دقيق و نوسانگرهاي با ولتاژ كنترل شده که از لحاظ عملکرد دارای رکورد جهانی هستند، گذشته‌اند. پروژه، حمايت مشتاقانه طرف‌هاي صنعتي را به دست آورده است.

اريكسون اظهار مي‌كند، پروژه به چشم‌انداز راهبردي خود براي استفاده از طيف فركانس‌هاي ريزموجي دست يافته است و مزيت اصلي اين پروژه در اين نکته بوده است كه با كاربردهاي مشخص شروع شده است. پروژه حتي ممكن است برای كتاب سال تحقيقات 2005 اتحاديه اروپا، كه تحقيقات برتر را بازتاب مي‌دهد، انتخاب شود.

فناوري CMOS، در اندازۀ 90 نانومتري هم‌اكنون مورد استفاده است. به طور مثال كاربردهايي كه اريكسون براي سه سال آينده از اين فناوري در نظر گرفته است شامل ساماندهي شبكه‌هاي داخلي بي‌سيم چون ‌WiFi و نقاط اتصال به جریان[8] در بازه فركانس 5 تا 6 گيگاهرتز است.

شرکت Philips ، طرف ديگر پروژه، کاربرد اصلي فناوري CMOS را ايجاد راه حل‌های اقتصادي و تأثيرگذار بر قيمت، براي ارتباطات بي‌سيم كه يك بازار نوظهور مهم و با كاربردها و محصولات بالقوه فراوان است، مي‌داند.

Philips اعتقاد دارد، اين فناوري امكان بي‌سيم شدن را براي وسائل الكترونيكي فراهم خواهد آورد و تمام محصولات تمام الكترونيكي امكان بي‌سيم شدن و در نتيجه، تعاملات دستگاه با دستگاه را خواهند داشت.

این مسأله تنها توليدات سطح بالا و تجملي را در بر نخواهد گرفت، بلكه مي‌تواند توليدات سطح پايين‌تري چون واکمن‌ها و MP3 Playerها را در برگيرد.

البته چنین تجهیزاتی شديداً به یکپارچه‌کردن فناوري فركانس بالا و کارکردهای آنالوگ با فناوري CMOS در زمان معین و با هدف يافتن راه‌حل‌هاي اقتصادي و سامانه‌روی‌تراشه[9] وابسته است كه البته IMPCAT مسير طولاني از این راه را پيموده است.

در زمان مناسب، IMPCAT قصد راه‌اندازي يك پروژه‌ي تكميلي دارد كه در صورت امكان تراشه‌هاي CMOS را با فرآيندهای در اندازۀ 45 نانومتر توليد كند.

دكتر دکوتر مي‌گويد: اگر به اندازۀ CMOS ديجيتال نگاه كنيد. خواهيد ديد كه تا حدود 65 نانومتر همان رويكرد مربوط به تراشه‌هاي قبلي به كار گرفته مي‌شود. اما در قطع 45 نانومتر و پايين‌تر تقريباً مواد جديد و چینش جديدي از آن‌ها مطرح است كه ما در حال كشف آن هستیم. ما مي‌خواهيم ببينيم، براي توليد يك تراشه 45 نانومتري كه كاركردهاي فركانس بالا و آنالوگ را داشته باشد، چه تحولی باید در فناوری تولید و  مواد جديد به وجود بیاید.

مزيت‌هايي كه چنين تراشه‌اي مي‌تواند ايجاد كند مي‌تواند شامل اندازه كوچكتر تراشه و پتانسيل براي عملكرد بهتر و مصرف كمتر انرژي با همان كاركرد باشد كه البته اين بستگی دارد که محققان تا چه حد به موفقیت دست یابند.

منبع:سایت نانو

 «فناوري نانو» Nanotechnology)) نوعي فناوري مربوط به ساخت تجهيزات و مواد در سطح اتم و مولكول و بهره‌برداري از خصوصيات و ويژگي‌هاي خاص مواد در اين سطح مي‌باشد. كلمه «نانو تكنولوژي» از واژه «نانومتر» (Nanometer) واحد اندازه‌گيري كه معرف يك ميليارد‌م متر، تقريباً ده برابر اندازه يك اتم مشتق شده، مي‌باشد. «فناوري نانو» عموماً كارهايي را در بر مي‌گيرد كه در مقياسي بين 1/0 الي 100 نانومتر انجام شده، ويژگي‌هاي‌ رفتاري اشياء در اين سطح بديع بوده و با ويژگي مواد ساخته شده در مقياس بزرگ قابل مقايسه نمي‌با‌شد.

«فناوري نانو» دربرگيرنده كنترل مستقيم اتم‌ها و مولكول‌ها مي‌باشد. در كل، اين فناوري شامل سه مرحله مي‌باشد:
   - طراحي مهندسي ساختارها در سطح اتم
   - سرهم كردن اينگونه ساختارها وتبديل آنها به مواد جديد با ساختار نانو (Nanostructure) با خصوصيات ويژه
   - سرهم كردن اينگونه مواد و تبديل آنها به ابزارهاي مفيد.
دو رويكرد كلي براي توليد ابزارها و مواد با مقياس نانو وجود دارد. نخستين رويكرد استفاده از اين ويژگي‌ها ذرات نانو در ساختارهاي موجود و داراي مقياسيهاي بزرگتر با استفاده از برخي تكنيك‌ها همچون Scanning tunneling يا (atomic-force microscopy ) يا انواع مختلف ليتوگرافي مي‌باشد. كه اين فرآيند هم اكنون در توليد چيپ‌هاي رايانه مورد استفاده قرار مي‌گيرد و ذره‌هاي نانوسايز و مدارهاي الكترونيكي يكپارچه از جمله موادي است كه با استفاده از اين رويكرد توليد مي‌شوند. گاهي اوقات از آن به‌عنوان رويكرد بالا به پايين «Top-down» ياد مي‌شود. دومين و انقلابي‌ترين رويكرد، رويكرد پايين به بالا «bottom-up» است. يعني ساخت مواد از خود اتم‌ها و مولكول‌ها. ترانزيستور «تك الكترون»، يكي از پيشرفت‌هاي شگرف اخير ناشي از كاربرد تكنيك «bottom-up» مي‌باشد.
هرچند پژوهشگران هم اكنون قادر به ساخت ساختارهاي تك مولكولي در آزمايشگاه هستند، اما هنوز نتوانستند شيوه‌اي ارزان (كه از نظر تجاري مناسب باشد) براي توليد انبوه آنها بيابند. شايد رويه‌اي تحت عنوان «Self-assembly» پاسخي مناسب به اين مشكل باشد. شايد با استفاده ازدانش شيمي بتوان در موقعيتي قرار گرفت كه در صورت استفاده از برخي توانايي‌هاي مولكول‌ها، امكان مرتب كردن آنها و ايجاد ساختارهاي پيچيده و تركيبي فراهم آيد.

اثرات «فناوري نانو» بر حمل‌ونقل
در چند سال گذشته، «فناوري نانو» در محصولات زيادي از جمله مقاومت‌هاي مغناطيسي چند لايه براي استفاده در بخش حافظه رايانه، Coating با ساختار «نانو» براي ذخيره اطلاعات خام ودر صنعت عكسبرداري مورد استفاده قرار گرفته است. «ذرات نانويي» همچنين براي استفاده در تجهيزات پزشكي و سيستم چاپگرهاي رنگي و مواد فلزي با ساختار نانو مورد استفاده قرار گرفته است. «فناوري نانو» تقريباً در تمامي فناوري‌ها و حوزه‌هاي مرتبط، انقلابي را ايجادكرده و همچنين اثرات بسيار مهمي را در بخش حمل‌ونقل به‌همراه خواهد داشت.
مزاياي بالقوه فناوري نانو در حوزه حمل‌ونقل گسترده و فراگير مي‌باشد. به‌عنوان مثال مي‌توان به موارد زير اشاره نمود: توليد خودروهاي سبك‌تر با مصرف سوخت كمتر با استفاده از موادي كه با بهره‌گيري از اين فناوري توليد مي‌شوند. احداث پل‌هايي كه دچار فرسايش نمي‌شوند و جاده‌هايي كه به تعمير و نگهداري نياز ندارند، تله‌هاي كوچك كه در خودروها براي حذف آلودگي ناشي از احتراق سوخت تعبيه مي‌شوند و سفينه‌هاي فضايي رباط‌گونه با تنها چند كيلوگرم وزن كه قادرند در منظومه شمسي به اكتشاف بپردازند و...
«فناوري نانو» در زمينه‌هاي زير به شكل بالقوه براي حمل‌ونقل داراي كاربرد خواهد بود.
فناوري اطلاع‌رساني
با تجهيزات الكترونيكي مولكولي، يك تراشه رايانه‌اي، به تنهايي مي‌تواند ميلياردها ترانزيستور، بسيار كوچك را در خود نگاه دارد. استفاده‌هاي‌ ويژه در حوزه حمل‌ونقل عبارتند از:
   - خودروهاي بدون راننده براي مصارف غيرنظامي يا نظامي
   - ارتباطات پيشرفته كه مزاياي سيستم‌هاي هوشمند حمل‌ونقل را به حداكثر افزايش مي‌دهند و مجموعه نيازهاي سفر را تأمين مي‌كنند.
   - حسگرهاي پيشرفته كه مدام وضعيت و عملكرد زيرساخت، خودروها و اداره كنندگان را به تصوير مي‌كشد.


مواد و مصالح
«فناوري نانو» موادي را براي مصارف حمل‌ونقلي توليد خواهد كرد كه سبكتر، قوي‌تر و در نهايت قابل برنامه‌‌ريزي بوده و به دليل عمر طولاني سرويس‌دهي و كاهش ميزان خرابي اينگونه مواد، هزينه‌هايش كاهش مي‌يابند. از مجموع كاربردهاي اصلي فناوري نانو در اين بخش مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
- سطوح فلزي با روكش نانويي براي دستيابي به حداكثر مقاومت، حداقل اصطكاك و حفاظت مطلوب مواد در برابر خوردگي و فرسايش
- مواد مناسب براي زيرساخت‌ها و خودروها
- مواد هوشمند كه ضمن بررسي و درک وضعيت خود و برآورد ميزان سالم بودن، در صورت نياز، تعميرات لازم را به‌عمل مي‌آورند.
همزمان بايد به مواد «Self-heathing» (قابليتي كه مواد در صورتي خرابي به خودي خود درست مي‌شوند)، مواد ضد حريق در خودروها و هواپيماها اشاره نمود.
دانش هوانوردي و فضا
مواد جديدي كه با استفاده از فناوري «فناوري نانو» توليد مي‌شوند، به‌دليل مقاومت مطلوب، وزن سبك، مقاومت در برابر تغييرات آب‌وهوايي، نيازهاي موجود در سفينه‌هاي فضايي، راكت‌ها، ايستگاه‌هاي فضايي و هواپيماهاي فوق سريع را تأمين مي‌نمايند. همچنين «فناوري نانو» امكان توليد سيستم‌ها و تجهيزات فضايي فوق كوچك را به همراه توليد حسگرهاي متراكم و به هم پيوسته و هوشمند، كاوشگران كوچك و فضاپيماهاي بسيار كوچك را فراهم مي‌آورد. زمينه‌هاي كاربردي فناوري ياد شده در اين بخش عبارتند از:
- هواپيماهاي سوپرسونيك كه توليد آنها ار نظر اقتصادي مقرون‌به‌صرفه است.
- سيستم‌هاي پردازشگر پيشرفته براي استفاده در سفينه‌هاي فضايي خودكار
- سيستم‌هاي الكترونيكي پيشرفته هواپيما

محيط‌زيست و انرژي
فناوري نانو به شكل بالقوه باعث كاهش مصرف سوخت و اثرات آن بر محيط‌زيست خواهد شد. به‌عنوان‌مثال، حسگرهاي توليد شده با استفاده از «فناوري نانو»، را مي‌توان براي آشکارنمودن آلاينده‌هاي خودرو و يافتن هرگونه آلوده‌كننده استفاده كرد. ساير موارد كاربردي عبارتند از:
- توليد مواد خاصي كه با استفاده از فناوري «نانو» تقويت شده و آنها را مي‌توان جايگزين اجزاي فلزي خودروها كرد كه در صورت جايگزيني و استفاده از اينگونه مواد سبک، ميزان آلاينده‌هاي Co2 سالانه بيش از 50 ميليارد تن كاهش مي‌يابد.
- جايگزيني كربن مشكي در تايرهاي خودرو با مواد خاصي كه امكان توليد آن توسط فناوري فناوري نانو از پليمرها و خاك رس غير ارگانيكي فراهم مي‌آيد و باعث مي‌شود روكش تاير مقاوم‌تر و از نظر زيست‌محيطي نيز فاقد آلودگي باشند.
- توليد مواد خاصي كه از آنها مي‌توان به عنوان «اسفنج‌هاي هيدروژني» در سلول‌هاي سوختي خودرو استفاده نمود.

منبع:سایت نانو

هوستون (4 اكتبر 2005): بر پاية يك مدل محاسباتي در برآورد بيمه براي شركت‌ها، يك تيم از دانشمندان و كارشناسان بيمه نتيجه‌گيري كرده‌اند كه ساخت 5 نوع نانو ماده «نزديك به بازار»،كه سه مورد از آنها شامل "نقاط كوانتومي"، "نانوتيوب‌هاي كربني" و" باكي‌بال‌ها" درصد ريسك كمتري را نسبت به برخي از پروسه‌هاي صنعتي نظير تصفيه نفت دارند براي دو نوع نانوماده ديگر- نانوتيوب‌ها و نانوذرات آلومينيمي – ريسك ساخت، قابل مقايسه با ساخت مخمرها يا "آسپرين" است اين مطالعه به صورت مفصل، در ماه "نوامبر" و در پانزدهمين شمارة "علم محيط‌زيست و فناوري" منتشر خواهد شد.

 اين مطالعه اثر زيست محيطي 5 نوع نانو ماده زير:

نانوتيوب‌هاي كربني تك ديواره، باكي‌بال‌ها، نقاط كوانتومي سلنيدروي، نانوذرات اكسيد آلومينيم و نانوذرات دي‌اكسيد تيتانيم، را در مقايسه با ساخت 6 نوع توليد معمولي نظير "ويفرسليكوني"، "مخمر آب جو" "پلاستيك‌هاي ظرفيت بالا"، "باتري‌هاي سرب- اسيدي خودرو"، "تصفية نفت "و "آسپرين"، مقايسه كرده است.

"اثرات ناشناختة بسياري دربارة اثر نانومواد بر ارگانيزم موجودات زنده و اكوسيستم، وجود دارد. اما حد بزرگي از دامنة اين اثرات به وسيلة خواص موادي كه براي ساخت نانومواد مورد استفاده قرار مي‌گيرد، مشخص مي‌شود."

"Mark Wiesner"، استاد "عمران- مهندسي محيط زيست" در دانشگاه Rice كه همكار مطالعاتي اين طرح است در ادامه افزود: "هدف ما، يك تقريب اوليه از اثرات زيست محيطي ساخت نانو مواد است"

"Wiesner" گفت: "هيأت داوران هنوز خارج از حدي هستند كه مشخص كنند كدام نوع از نانومواد، داراي خطر زيست محيطي هستند، اما به هر حال زود نيست كه از اثرات زيست‌محيطي و سلامتي مزدوج با ساخت اين مواد جديد، اجتناب كنيم. ما داراي پنجرة محدودي از موقعيت‌ها به منظور هدايت صنعت نانومواد به وجود آمده به سوي يك آيندة سبز هستيم.

با اين مطالعه، اميدواريم خطوط مبنايي را براي اطمينان بخشي، توسعة مسئولانه صنعت ساخت نانو مواد پي‌ريزي كنيم.

در راستاي توسعه روش‌هاي تخميمن ريسك،‌تيم پژوهشي يك صورت‌حساب دقيق مشتمل بر نوع ماده ورودي، مواد خروجي، جريان‌هاي هرز، تهيه نمود. ريسك به صورت كيفي براي هر پروسة ساخت،‌ برحسب فاكتورهاي سم شناسي، قابليت اشتغال، پايداري در محيط زيست، قابليت انتقال در هوا و ودورة آلودگي نهان كه به پتانسيل آلودگي در درازمدت، ارتباط دارد، ارزيابي مي‌شود.

با استفاده از يك پروتكل آماري كه به وسيلة شركت بيمه زوريخ و بيمة XL، ايجاد شده است، پژوهشگران 4 نوع شاخص براي ارزيابي هر يك ازاين پروسه ها، تعريف كردند:

   1)     تابع ريسك كه معرف ريسك در هر يك از پروسه‌هاي ساخت مي‌باشد.

   2)     ريسك‌ عملگرهاي نرمال كه به ريسك جريان‌هاي زايد و قابليت انتقال به وسيلة هوا اشاره دارد.

   3)     دورة آلودگي نهان كه به پتانسيل آلودگي در درازمدت اشاره مي‌كند.

Wiesner در ادامه افزود كه ريسك حادثه قابل مقايسه و يا حتي كمتر از پروسه‌هاي غير نانوئي بوده است. پروسه‌هاي غير نانويي نيز حد مشخصي از ريسك را مي‌پذيرند و يا اين كه فضائي محدود براي بهسازي فضاي خارج وجود دارد. اما اين مطالعه يقيناً پيشنهاد مي‌كند كه خطرات ساخت مواد جديد، تفاوت آشكاري با آنچه كه در صنايع حاضر با آن روبروهستيم، نخواهد داشت.

به عنوان مثال ريسك حادثه مزدوج با توليدات نانوتيوبي و اكسيد آلومينيمي در حد نزديكي يا حتي پايين‌تر از توليد مخمر آب جو است. "باكي‌بال‌ها" داراي بالاترين حد ريسك توليد در ميان نانو مواد هستند و ريسك آنها در حد توليد "پوليوليفين" كه طبقة وسيعي از پليمرهاي مشابه پلي‌اتيلني هستند كه در ساخت پلاستيك‌ها به كار گرفته مي‌شوند.

نمره ريسك عملگرهاي نرمال براي نانوتيوب‌ها و اكسيدهاي آلومينيمي، قابل مقايسه با ساخت مخمر آب جو و آسپرين است. در حالي كه نمرة باكي‌بال‌ها، كوانتوم‌دات‌ها و دي اكسيد تيتانيم قابل مقايسه با نمره ريسك عملگرهاي نرمال "ويفرهاي سيليكوني" و "باتري‌هاي خودرو" است و نمرة ريسك عملگرهاي نرمال براي پلاستيك‌ها و تصفية نفت از هر نوع نانو ماده، بالاتر است.

براي همة نانوموادها بجز "باكي‌بال‌ها" نمرة ريسك آلودگي نهان، قابل مقايسه با نمرة ويفرهاي سليكوني مخمر آب جو و آسپرين است. باكي‌بال‌ها داراي نمرة دورة آلودگي نهان در مقايسه با باتري‌هاي خودرو و توليدات پلاستيكي هستند و نمره آنها از نمرة آلودگي نهان تصفية نفت كمتر است.

"Wiesner" در ادامه گفت: ما نمي‌توانيم تمام اجزاء ساخت نانومواد را استنتاج كنيم. اما بر پاية آنچه كه يقيناً مي‌دانيم، ساخت نانو مواد حاضر، داراي ريسك كمتري در مقاسه با فعاليت‌هاي صنعتي موجود نظير پالايش نفت، توليدات پلي‌اتيلن، و توليد مواد داروئي مصنوعي، مي‌باشد.

اين پژوهش به وسيلة بنياد ملي علوم و آژانس حفاظت از محيط زيست حمايت شده است.

منبع:سایت نانو

سيستم‌هاي محاسباتي مبتني بر فناوري نانو، نيازمند ابزارهاي دقيقي جهت ارزيابي” defects “و Fault-tolerant” “به منظور بهبود بخشيدن به اعتبارشان در راستاي محاسبة فاكتورهاي مؤثر مي‌باشند. به عنوان مثال خودآرائي شيميايي ابزارهاي مولكولي فقط داراي حدهاي آماري مي‌باشند كه متضمن كاركرد تمام عيار ابزارهاي وابسته به آن نمي‌باشند.

 پژوهشگران مسأله قابليت اعتبار در محاسبات نانوئي را از زواياي گوناگون مورد بررسي قرار داده‌اند:

"افزونگي N پيمانه‌اي"، "تسهيم NAND"، "تجديد آرايش" "رمزنگاري كنترل خطا"، "‌شبكه‌هاي عصبي هوشمند" و ساير معماري‌هاي نوين محاسباتي.

همة اين روش‌هاي محاسباتي در كنترل خطا در حوزة معيني از ارزيابي خطا معتبرند. اما برا ي آن كه به قابليت اعتمادي بالاتر از %95 دسترسي پيدا كنيم نيازمند حل مسأله محاسبات در كلية سطوح: سطح ابزارها، سطح معماري سيستم و سطح كاربرد، مي‌باشيم.

به عنوان مثال در سطح ابزارها، پارامترهاي طراحي ابزارها مي‌بايستي لحاظ گردد تا قابليت اعتماد ابزار در« عملكردها» ودر« دورة زندگي» كافي، افزايش يابد.

در سال 1956، "جان فون نيومن"[1] در كتاب مشهورش

Probabilistic Logics and the Synthesis of Reliable organisms from unreliable Components"

دربارة قابليت اعتماد به سيستم‌هاي محاسباتي مبتني بر مؤلفه‌هاي مستعد خطا، صحبت كرد. از آن تاريخ به بعد، اين ديدگاه در سيستم‌هاي محاسباتي اهميت يافت.

 دريچه هاي عمل كننده به عنوان ابزارهاي switching،‌ در اين دورة به عنوان عملگرهاي تكرار،‌ مورد استفاده واقع شدند. با ظهور ترانزيستورهاي سيليكوني و با افزايش و بهبودكارآئي صنعت نيم‌رساناها، اين امر اهميت كمتري پيدا كرد. البته محاسبه و ارزيابي خطا در سيستم‌هاي محاسباتي،به ويژه‌ براي مأموريت «سيستم‌هاي بحراني» همواره يك زمينة عمدة تحقيقاتي بوده است.

به هر حال ايده طراحي سيستم‌هاي با احتمال خطاي صفر، مطرح شده بود، كه، اخيراً پژوهشگران ايده استفاده از نانوتكنولوژي به عنوان المان‌هاي switching را مطرح كردند.

در صنايع حال حاضر نيم‌رساناها، بلافاصله بعد از ظهور ويفرهاي سليكوني، آزمايش‌ها آغاز شد و بخش‌هاي معيوب، مردود شد.بازدهي ساخت به وسيلة درصد بخش‌هاي بدون عيب اندازه‌گيري مي‌شود.

متأسفانه،‌ با ابزارهاي پايه سليكوني كه تا حد چندين نانومتر يا حتي با فناوري‌هاي نوتر (نظير لايه‌هاي مولكولي خودآرا، سلول‌هاي پايه نقطه كوانتومي يا سوئيچ‌هاي مبتني بر نانوتيوب) ساخته مي‌شوند احتمال خطا كاملاً بالا مي‌رود.

از اين رو حل مسألة خطا در ابزارهاي محاسباتي مبتني بر فناوري نانو، به عنوان يك اولويت قابل ملاحظه در طراحي مطرح است زيرا بازده ساخت سازه‌هاي نانوئي بر مبناي شاخص اعتبار، سنجيده مي‌شود.

P مدل‌هاي محاسباتي غير كلاسيك و معماري آنها:

در ماوراء كاربرد فرم‌هاي اغلب كلاسيك، براي اندازه‌گيري تلرانس خطا، پژوهشگران جسوري در جستجوي ساخت راههائي براي اندازه‌گيري قابل اعتماد بودن سيستم‌هاي محاسباتي هستند. در اين قسمت به بررسي مدل‌هاي الهام گرفته شده از بيولوژي تا روش‌هاي جديد اندازه‌گيري تابع احتمال مي‌پردازيم:

شبكه‌هاي عصبي:

در طي 20 سال گذشته، شبكه‌هاي هوش مصنوعي ملهم از سيستم‌هاي بيولوژيك عموميت يافته است و روش‌هاي اثبات شده‌اي در راستاي حل مسائل پيچيدة غير خطي در گسترة وسيعي از علوم و مهندسي شده‌اند.

شبكه‌هاي عصبي هوش مصنوعي مبتني بر خواص بيولوژيك"نرون‌‌"ها و"سيناپس"‌ها استوار است،به گونه‌اي كه بر هم‌كنش محل اتصال دو عصب متناسب با وزن هر محل اتصال در مجموعه‌اي از يك شبكة توزيع يافتة محاسباتي است.

Rouw"" و"Hoekstra" دو چالش اصلي در ساخت شبكة عصبي نانوالكترونيك را معرفي كردند.

شبكة عصبي،به صورت نوعي، پر از اتصال هستند كه نيازمند اين است كه هر "نود" از طريق فواصل طولاني ارتباط پيدا كند، نانوالكترونيك اجرائي طرفدار ارتباطات محلي و ارتباطات در قالب مسافت كوتاه مي‌باشد. شبكه‌هاي عصبي مبتني بر جمع زدن به منظور اندازه‌گيري وزن اتصال تحت خطاي ناشي از رفتار طبيعي و كاتوره‌اي ترانزيستورهاي تك الكتروني مقيد است.

 اين پژوهشگران قيدهاي حاكم بر اين مسأله را به صورت زير پيشنهاد كردند:

   ·        تعاملات بين اتصالات محلي بر مبناي توپولوژي خطي كه كاوشگر زمان تأخير است

   ·        يادگيري Hebbian و شرايط كلاسيك به عنوان روش‌هاي آموزش و اصلاح

   ·        ضامن‌هاي تك الكتروني به عنوان مبناي نانوساختارهاي دودوئي سيگنال آنالوگ اتصال دهنده موسوم به (BiWAS) معرفي شدند.در اين راستا ارسال و انشعاب سوئچ‌هاي ضامني پيشنهاد شد.

اين بلوك‌هاي ساخته شده به منظور طراحي 2 بعدي آرايه‌هاي اتصالي مربعي تطبيق‌پذير، استفاده مي‌شود.

آزمايش‌هاي مرتبط با «آرايه‌هاي رشد آزاد» نشان داد كه براي يك اتصال نوعي از"Cerebral cortex" (هر سلول شبكه به 10.000 اتصال مي‌يابد)، ظرفيت اتصال تنها به چند اتصال در سانتيمتر مربع اجازه اتصال مي‌دهد.

يك توپولوژي اميدبخش ديگر بر پاية اتصال به نزديك‌ترين همسايه در فضاي 2 بعدي يك شبكة مش‌بندي شده، بود.به گونه‌اي كه نورون‌ها بر روي چهار خط "axonic" وچهارخط"dendritic" ارتباط پيدا مي‌كردند. خطوط ارتباطي به وسيلة يك تك الكترون BiWAS به هم ربط مي‌يافتند. اين معماري، ظرفيت شبكة عصبي را به بالاتر از 10⁸ عصب در سانتيمتر مربع ارتقاء مي‌داد.

معماري نوين ديگر مبتني بر شبكه‌هاي عصبي، بر رفتار طبيعي و كاتوره‌اي و تونل زنندة تك الكترون استوار بود. يك ماشين شبكة عصبي "بولتزمان" مبتني بر ارتباط دو سويه نودها به گونه‌اي كه هر نود با هر نود ديگري در ارتباط باشد. هر عصب يك حالت خروجي دودوئي دارد كه بر حسب يك قانون كاتوره‌اي انتقالي در پاسخ به ورودي‌ها، عوض مي‌شود. همة عصب‌ها به صورت موازي عمل مي‌كنند. با هر تنظيم حالت، در پاسخ به تغييرات حالت ديگر عصب‌ها عوض مي‌شوند. يك نوسانگر ديجيتالي با استفاده از يك مدار تك الكتروني كه نوسان‌هاي تصادفي 1-/1 را به وجود مي‌آورد، نيازمندي‌هايي جريان دودوئي بولتزمان را تأمين مي‌كند. هر چند كه هنوز مسائل مربوط به ارتباطات حجيم در اين قالب مورد بررسي قرار نگرفته است.

به نظر مي‌رسد كه شبكه‌‌هاي عصبي براي كاربردي كردن نانوالكترونيك در جهت حل مسأله تلرانس خطا، جذاب باشد. از آنجائي كه محاسبات از طريق آرايه‌ها توزيع مي‌يابد، ممكن است سيستم نسبت به خطاهاي داخلي جزئي، غير حساس باشد. از سوي ديگر، از آنجائي كه محاسبات توزيع مي‌شود، يك خطا در يك عصب يا اتصال به صورت بالقوه شبكه را تحت تأثير قرار مي‌دهد. يافته‌ها نشان مي‌دهد كه درجة تلزانس خطاي يك شبكة عصبي بسته به درجة افزونگي[2] در تعادل دارد.

يك راه حل براي افزايش تلزانس خطا در شبكه‌هاي عصبي،‌ بهبود پروسه‌هاي يادگيري به منظور اعمال نيرو به يك عصب به منظور تحمل كردن تغييرات بزرگتر در سيگنال‌هاي ورودي است. يكي از روش‌ها، بالا بردن تلرانس خطا بر مبناي توابع "Gaussian radial" است كه چند نود را به سمت صفر ميل مي‌دهد (به منظور شبيه‌سازي تأخير در خطاهاي صفر) و سپس كل شبكه را ساماندهي مي‌كند.

متناوباً، خروجي عصب‌ها، به منظوربررسي يك مقدار داده شده كه به نظر داراي خطا مي‌باشد ثابت نگه داشته مي‌شود به همين ترتيب وزن هر يك از عصب‌ها به منظور رسيدن به خطاي مطلوب عوض مي شود.

 تمام اين مدل‌ها افزونگي در شبكه را به صورت ضمني لحاظ مي‌كنند.

Phatak” “و”Koren” ، ثابت كردند كه افزونگي، triple-modular لازم است تا تلرانس كامل به منظور "forward –Feed "شبكة عصبي برقرار شود. بنابر اين، در حالات حدي، بکارگيري مدل شبكة عصبي همان نيازمندي‌هائ را مي‌طلبد كه مدل‌‌هاي محاسباتي كلاسيك مي‌طلبند.

منبع:سایت نانو

محاسبات كوانتومي يك زمينة  جديد و اميدواركننده با قابليت بالقوه بالاي محاسباتي است، اگر در مقياس بزرگ  ساخته شود. چندين چالش عمده در ساخت رايانة كوانتومي بزرگ مقياس، وجود دارد: بررسي و تصديق محاسبات و معماري سيستم آن.

 قدرت محاسبات كوانتومي در قابليت ذخيره‌سازي يك حالت پيچيده در قالب يك "بيت" ساده نهفته است.

روش‌هاي نويني به منظور ساخت مدارهاي منطقي سطح پائين، سوئيچ‌كننده‌ها، سيم‌ها، دروازه‌هاي اطلاعاتي، تحت پژوهش و توسعه قرار گرفته‌اند كه كاملاً متفاوت از تكنيك‌هاي حاضرند و به طور عميقي ساخت مدارهاي منطقي پيشرفته‌ را تحت تأثير قرار مي‌دهند. از برخي از ديدگاه‌ها، در آينده‌اي نزديك، در حدود 20 سال آينده، طراحان مدارهاي منطقي ممكن است به مدارهائي دسترسي پيدا كنند كه يك بيليون بار از مدارهاي حال حاضر سريعترند.

مسائلي نظير طراحي، بكارگيري،‌ تعمير و نگهداري و كنترل اين ابرسيستم‌ها به گونه‌اي كه پيچيدگي بيشتر به كارآئي بالاتري منتهي شود، زماني كه سيستم‌هاي منطقي شامل 10⁷، سوئيچ باشد،مهم است. به سختي ممكن است كه آنها را به طور كامل و بي‌نقص،‌ بسازيم، بنابر اين رسيدگي و اصلاح عملگرهاي شامل بررسي هزاران منبع خواهد بود. از اين رو طراحي يك سيستم با فضاي حداقل، حداقل هزينه در زمان و منابع، يك ارزش است. چنين سيستمي مي‌تواند در قالب "توزيع يافته"، "موازي" ويا در يك چهارچوب "سلسله مراتبي" قرار گيرد.

سخت‌افزارها و مدارهاي منطقي راه درازي را پيموده‌اند. ترانزيستورهاي استفاده شده در يك مدار سادة CPU چندين ميليون بار كوچكتر از ترانزيستور اصلي ساخته شده درسال 1947 است. اگر يك ترانزيستور حال حاضر با تكنولوژي 1947 ساخته شود نيازمند يك كيلومتر مربع سطح مي‌باشد (قانون مور)، در حالي كه در 10 الي 20 سال آينده تكنولوژي موفق به گشودن راهي جهت توليد مدارهاي منطقي 3 بعدي خواهد شد.

در اين ميان، چندين پرسش سخت و پژوهشي كه در آكادمي‌ها وصنعت به آن پرداخته مي‌شود وجود دارد:

1)گرفتن پيچيدگي‌ها در تحليل روش‌هاي توليد SWITCH ،در روش‌هاي متولد شده به منظور مدل‌سازي چگونگي كارآئي آنها، در مدارهاي منطقي مورد نياز مهندسان، و امتيازات روش‌هاي نوين فناورانه بر روش هاي كلاسيك.

2) لحاظ كردن ملاحظاتي مبني بر تعداد سوئيچ‌ها در واحد سطح و حجم در درون ابزار (گنجايش)، تعداد نهائي سوئيچ‌ها در درون ابزار (حجم)، شرايط حدي عملگرها، سرعت عملگرها، توان مورد نياز، هزينة توليد و قابليت اعتماد به توليد و دورة زماني چرخة عمر آن.

پاسخ اين تحليل ها جهت پژوهش‌ها را به سمت روش‌هاي بهتر توليد سوييچ، هدايت خواهد كرد. ودر نهايت يافتن اين كه چگونه يك روش ويژه در بهترين شكلش مورد استفاده قرار خواهد گرفت و نيز تحليل و تباين روش‌هاي مختلف توليد.

3) حركت به سمت طراحي ظرفيت ابزار، جهت استفادة مؤثر از 10¹⁷ ترانزيستور يا سوئيچ است. چنين طراحي‌هائي در مقياس‌هاي مطلوب ، حتي بي‌شباهت در مقايسه با افزايش ظرفيت ابزارها خواهد بود.

4) طراحي‌هاي قويتر و ابزارهاي بررسي قوي‌تر به منظور طراحي "مدارهاي منطقي" با چندين مرتبة مغناطيسي بزرگتر و پيچيده‌تر.

5) طراحي پروسه‌هاي انعطاف‌پذيرتر جهت مسير توليد از مرحلة طراحي منطقي،‌ آزمايش و بررسي، تا بكارگيري در سخت‌افزار.

 پروسه‌ها مي‌بايستي به قدري انعطاف‌پذير باشند كه:

   الف) توسعة اشتراكي درطراحي، آزمايش و ساخت ،به گونه‌اي كه هيچ يك از اين گام‌ها تثبيت شده نباشد.

   ب) توسعه طراحي، و بررسي به منظور كاوش يك روش نوين ساخت با هدف تقويت نقاط قوت و كم كردن نقاط ضعف .هر نوع از سيستم نانويي كه توسط طراحان ساخته مي‌شود مي‌بايستي صحت عملكرد آن تضمين شود.

 شاخص مقياس حقيقي و لايه‌هاي افزوده شدة نامعين در سيستم‌هاي نانوئي،‌ نيازمند انقلاب در طراحي سيستم‌ها و الگوريتم‌ها است. روش‌هائي كه در زير معرفي مي‌شود، الگوريتم‌هائي هستند كه به صورت بالقوه قادرند مسأله پيچيدگي محاسبات را كاهش دهند.

1) بررسي مقياسي سيستم‌هاي نانوئي:

مانع بزرگي به نام« بررسي چند ميليون ابزار نانومقياس»، نياز به روش‌هاي انقلابي به منظور بررسي سيستم‌هائي كه ذاتاً بزرگتر، پيچيده‌تر و داراي درجات نامعيني پيچيده‌تري هستند، را روشن مي‌كند. در ابتدا مروري كوتاه خواهيم داشت بر ضرورت "آزمايش مدل."[1]

آزمايش مدل از روش‌هاي پذيرفته شده و رسمي در حوزة بررسي روش‌هاي ساخت است. اين حوزه شامل كاوش فضاي طراحي است به منظور ديدن اين نكته كه خواص مطلوب در مدل طراحي شده حفظ شده باشد، به گونه اي كه اگر يكي ازاين خواص، مختل شده باشد،‌ يك""Counter Example توليد شود.

 Model Checking Symbolic   بر مبناي [2]ROBDDها يك نمونه از اين روش‌ها است.

بهرحال، BDDها به منظور حل مسائل ناشي از خطاي حافظه بكار گرفته مي‌شوند و براي مدارات بزرگتر با تعداد حالات بزرگتر و متغيرتر مقياس پذير نمي‌باشند.

دو روش عمده براي حل اين مسأله وجود دارد:

 يك روش حل مبتني بر محدود كردن آزمايش كنندة مدل[3] به يك مدار unbounded، است كه به نام "unbounded model checking" يا UMC ناميده مي‌شود،‌ به گونه‌اي كه خواص آزمايش شده به تعداد دلخواه از Time-Frame" "ها وابستگي ندارد.

روش ديگر مبتني بر مدل "مدار محدود[4]" استوار است كه به نام[5] BMC ناميده مي‌شود در اين روش بررسي مدل با تعداد ويژه و محدودي از Time-Frame" "ها صورت مي‌گيرد.

ابتدا در مورد فرمولاسيون UMC كه مبتني بر "رسيدن به سرعت در مراتب مغناطيسي" است و به وسيلة تكنيك‌هاي مقياس پذير"BMC" پيروي مي‌شود،‌ بحث مي‌كنيم و بالاخره اين كه چهارچوبي را براي بررسي و لحاظ كردن درجات نامعيني به سيستم، معرفي مي‌كنيم.

2- "UMC" مقياس‌پذير:

مزيت"UMC" بر "BMC" در كامل بودن آن است. روش "UMC" مي‌تواند خواص مدل را همانگونه كه هست لحاظ كند زيرا اين روش مبتني بر قابليت آزمايش به كمك نقاط ثابت است. عيب اين روش در اين است كه""ROBDD كاملاً به مرتبة متغيرها حساس است. ابعاد BDD مي‌تواند غيرمنطقي باشد اگر مرتبة متغيرها بد انتخاب شود. در پاره‌اي از موارد (نظير يك واحد" ضرب") هيچ مرتبة متغيري به منظور رسيدن به يك ROBDD كامل كه نمايشگر عملكرد مدار باشد،‌ وجود ندارد. به علاوه، براي خيلي از شواهد مسأله،‌ حتي اگر ROBDD براي روابط انتقال ساخته شود،‌ حافظه مي‌تواند هنوز در خلال عمل كميت‌گذاري، بتركد. پژوهش‌هاي اخير بر بهبود الگوريتم‌هاي BDD جهت كاهش انفجار حافظه استوار و استفاده از خلاصه نگاري و تكنيك‌هاي كاهش، جهت كاهش اندازه مدل، تمركز يافته‌اند.

"SAT Solver"ها ضميمة BDD ها مي‌شوند. روابط انتقال يك سيستم در قالب K، Time-Frame"" باز مي‌شود. "SAT" هابه ابعاد مسأله كمتر حساسند. اما به هر حال، SATها داراي يك محدوديت هستند و آن اين كه خواص يك مدار را با تعداد محدودي (K)، مي‌سنجند.

اگر هيچ Countervecample در K، Time-Frame يافت نشد، هيچ تضميني براي همگرائي حل مسأله وجود ندارد.

BMC"" در مقايسه با UMC"" مبتني بر"BDD" ،كامل نمي‌باشد. اين روش مي‌تواند فقط  "Counter Example"ها را بيابد و قادر به محاسبة خواص نمي‌باشد مگر آن كه يك حد بر روي حداكثر اندازة Counter Example"" تعيين شود.

روشي براي تركيب SAT-Solver و BDD به صورت فرمول CNF به كار گرفته شده است.

منبع:سایت نانو