پاورقی دنباله‌دار کتاب «یگانه دستگاه: تاریخچه مخفی آیفون» (فصل دهم/بخش دوم)
احتمالاً این حرف را شنیده‌اید که پردازنده‌ای که در تلفن همراه‌تان تعبیه شده، قدرتمندتر از کامپیوتری است که نخستین ماهواره‌ی آپولو[۱] را در سفر به ماه هدایت کرد. بهتر است بدانید که این مقایسه، حق مطلب را برای توصیف پردازنده‌ی تلفن همراه هوشمندتان بیان نمی‌کند. پردازنده‌ی تعبیه‌شده در تلفن همراهی که شما دارید، بسیار بسیار قدرتمندتر از آن کامپیوتر است. یعنی چیزی حدود صد هزار برابر قدرتمند. این قدرت بسیار بیشتر هم مدیون ترانزیستوری است که به‌شکلی خارق‌العاده کوچک شده.
احتمالاً مهم‌ترین اختراع قرن گذشته، چیزی نیست جز ترانزیستور. ترانزیستور همان سنگ بنایی است که تمام محصولات الکترونیکی بر روی آن ساخته شده‌اند. آیفون نیز در این میان مستثنی نیست. میلیاردها نوع ترانزیستور در جدیدترین و به‌روزترین طرح‌ها و گونه‌ها در جهان یافت می‌شود. اما وقتی ترانزیستور برای نخستین بار در سال ۱۹۴۷ اختراع و به جهانیان عرضه شد، ابعادش چندان کوچک و در مقیاس میکروسکوپی نبود… این ترانزیستور از لایه‌ای باریک از جنس ژرمانیم ساخته شده و قطعه‌ای مثلثی‌شکل و پلاستیکی داشت و نقطه‌ی اتصال آن هم از جنس طلا و به طول حدوداً یک و نیم سانتی‌متر بود. تنها می‌شد یک‌مشت از این ترانزیستورها را در فضایی به‌اندازه‌ی یک آیفون باریک امروزی جا داد.
مهم‌ترین اختراع قرن گذشته، چیزی نیست جز ترانزیستور.
اصل و پایه‌ی علمی که بعدها به اختراع ترانزیستور انجامید، نخستین بار به‌وسیله‌ی جولیِس لیلینفلد[۲] سال ۱۹۲۵ ارائه شد، اما حاصل پژوهش و کار لیلینفلد تا سال‌های سال در نشریات علمی ماند و توجه کسی را به خودش جلب نکرد. مدت‌ها طول کشید تا دانشمندانی که در آزمایشگاه‌های بل مشغول به کار و پژوهش بودند، بالاخره به تحقیقات جولیس لیلینفلد برخوردند، آن را مجدداً از دل نشریات علمی کهنه در آوردند و به کار و پژوهش بر روی آن و ارتقاء این ایده، مشغول شدند. جان باردین[۳] و والتر براتین[۴] که تحت نظر ویلیام شاکلی[۵] کار می‌کردند، توانستند بالاخره در سال ۱۹۴۷ نخستین ترانزیستور دنیا را بسازند و با ساخت همین ترانزیستور بود که برای همیشه، توانستند میان عالم مکانیکی و عالم دیجیتالی، پُل بزنند.
تمام کامپیوترها به‌نحوی برنامه‌ریزی شده‌اند که تنها زبان دوتایی را درک می‌کنند. به‌عبارت دیگر، همه‌چیز را به‌عنوان زنجیره از بله یا خیر، روشن یا خاموش و صفر یا یک می‌بینند. برای همین، کاربر نیازمند راهی است تا بتواند هر موقعیت و مسئله را به این شیوه برای کامپیوتر توضیح دهد. ترانزیستورها می‌توانند دستورات ما را ترجمه کرده و به کامپیوتر منتقل کنند. اگر ولتاژ تقویت شده باشد، آن‌وقت به‌عنوان بله، روشن یا یک تلقی می‌شود و اگر هم تقویت نشده باشد، آن‌گاه به‌عنوان دستور خیر، خاموش یا صفر به‌حساب خواهد آمد.
دانشمندان توانستند به‌مرور از ابعاد و حجم ترانزیستورها بکاهند، تا جایی که می‌شد ترانزیستورها را مستقیماً روی نیم‌رساناها سوار کرد. با سوارکردن تعدادی ترانزیستور کنار یکدیگر بر روی صفحه‌ای نیم‌رسانا، می‌شود مدار مجتمع یا اصطلاحاً ریزتراشه ساخت. نیم‌رساناها ویژگی منحصربه‌فردی دارند. همین ویژگی منحصربه‌فردشان به کاربر اجازه می‌دهد که بر شار الکتریکی که از طریق نیم‌رسانا در جریان است، تسلط داشته باشد و بتواند آن را کم‌وزیاد کند و در آن تغییراتی به‌وجود بیاورد. ژرمانیم یکی از همین عناصر نیم‌رساناست و عنصر نیم‌رسانای دیگری هم که شاید نامش به گوش‌تان خورده باشد، سیلیکن نام دارد. سیلیکن عنصری است بسیار ارزان و فراوان که گاهی آن را به نام دیگرش هم می‌خوانند. نام دیگر سیلیکن همان شِن است. کم‌کم کار به جایی رسید که به افتخار ریزتراشه‌های سیلیکنی، دره‌ای در غرب آمریکا را به نام‌شان زدند.
به‌عبارت بسیار بسیار ساده، باید گفت که با افزایش تعداد ترانزیستورها روی صفحه‌ی نیم‌رسانا، می‌شد دستورات پیچیده‌تر و پیچیده‌تری به کامپیوتر داد. خیلی جالب است که بدانیم افزایش تعداد ترازیستورها، به‌معنی افزایش مصرف برق نیست. درواقع چون ابعاد ترانزیستورها کوچک و کوچک‌تر شده، تعداد زیادی از آن‌ها برق کمتری از یک ترانزیستور بزرگ مصرف می‌کنند. اگر بخواهیم آنچه را که تا الآن گفته‌ایم، خلاصه کنیم، باید بگوییم که درست مطابق قانون مور که پیش‌تر همین مسئله را اعلام کرده بود، تراشه‌های کامپیوتری کوچک و کوچک‌تر شدند، قدرت‌شان افزایش یافت و مصرف برق آن‌ها نیز رو به کاهش گذاشت.
جالب است که بدانیم افزایش تعداد ترازیستورها، به‌معنی افزایش مصرف برق نیست.
برنامه‌نویسان هم متوجه شدند که می‌توانند با استفاده از توان نویافته و بالای کامپیوترها، دست به ساخت برنامه‌هایی پیچیده‌تر بزنند. این مسئله، سرآغاز چرخه‌ای بود که خود شمای خواننده نیز با آن آشنایید و احتمالاً از آن نفرت دارید. چرخه‌ای که در آن، هر ساله، دستگاه‌هایی بهتر از سال پیش روانه‌ی بازار می‌شوند که می‌توانند کارهایی تازه انجام دهند و کیفیت انجام کارهای قدیمی نیز در آن‌ها ارتقاء یافته. این دستگاه‌ها می‌توانند بازی‌ها را با کیفیت بیشتر و تصاویر گرافیکی خیره‌کننده‌تر به اجرا بگذارند، عکس‌های باکیفیت بیشتری روی حافظه‌شان ذخیره کنند، با سرعت بیشتری صفحات اینترنتی را بالا بیاورند و کارهایی دیگر از این قبیل.
به‌اختصار نگاهی به جدول زمانی جمع‌وجوری می‌اندازیم که به درک بهتر موضوع کمک می‌کند.
نخستین دستگاهی که برای مصرف عموم مردم به بازار عرضه شد و در ساخت آن ترازیستور به کار برده بودند، سمعکی بود ساخته‌ی شرکت ریتیون[۶] که در سال ۱۹۵۲ به بازار عرضه شد. تعداد ترانزیستور به‌کاررفته در این سمعک، تنها یک عدد بود.
در سال ۱۹۵۴، شرکت تگزاس اینسترومنتس[۷] ریجنسی تی‌آر-۱[۸] را به بازار عرضه کرد. ریجنسی تی‌آر-۱ نخستین رادیوی ترانزیستوری دنیا به‌حساب می‌آید. عرضه‌ی این رادیو به بازار، با استقبال بی‌نظیری روبه‌رو شد و همین مسئله، به کمک صنعت تولید ترانزیستور آمد. رادیوی ریجنسی تی‌آر-۱ به پرفروش‌ترین دستگاه تاریخ تا آن زمان بدل شد. تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در این رادیو، چهار عدد بود. تا اینجا البته اتفاق چندان خیره‌کننده‌ای نیفتاده… ضمناً، ترانزیستورها را هم هنوز کسی سوار ریزتراشه نکرده است.
کمی جلوتر می‌رویم.
فضاپیمای آپولو که در سال ۱۹۶۹ عده‌ای انسان را به فضا برد و روی سطح ماه نشاند، کامپیوتری در مدار خود داشت. این کامپیوتر، همان کامپیوتر هدایت‌کننده‌ی آپولو است، همان کامپیوتر معروف. ترانزیستورهای به‌کاررفته در این کامپیوتر، از کلیدهایی الکتریکی و مغناطیسی تولید شده بودند که همگی، ساخته‌ی دست مهندس‌ها و با دست سرهم‌بندی شده بودند. تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در این کامپیوتر، در مجموع ۱۲ هزار و ۳۰۰ عدد بود.
در سال ۱۹۷۱، شرکتی نوپا و کوچک به‌نام اینتل، نخستین ریزتراشه‌ی ساخت خود را به بازار عرضه کرد. این ریزتراشه، ۴۰۰۴ نام داشت. تمام این ریزتراشه و ترانزیستورهای روی آن، تنها ۱۲ میلی‌متر مربع جا می‌گرفت. بین هر ترانزیستور، ده هزار نانومتر فاصله بود. نشریه‌ی اکونومیست به‌خوبی فاصله‌ی میان هر دو تراشه را توصیف کرده و گفته که «این فاصله، به‌اندازه‌ی ابعاد یک گلبول قرمز خون است… هر کودکی که به میکروسکوپی معمولی دسترسی داشته باشد، می‌تواند تمام ترانزیستورهای روی ۴۰۰۴ را ببیند و بشمارد.» تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در قطعه‌ی ۴۰۰۴، دو هزار و ۳۰۰ عدد بود.
پردازنده‌ی آیفون، پردازنده‌ای بود اختصاصی که اپل و سامسونگ با کمک یکدیگر آن را طراحی کردند و سامسونگ نیز آن را ساخت. این پردازنده در سال ۲۰۰۷ عرضه شد. تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در این پردازنده، ۱۳۷ میلیون و ۵۰۰ هزار عدد بود.
پردازنده‌ی آیفون، پردازنده‌ای بود اختصاصی که اپل و سامسونگ با کمک یکدیگر آن را طراحی کردند.
این عدد به‌نظر خیلی بزرگ جلوه می‌کند. اما تعداد ترانزیستورهای آیفون ۷ که نُه سال بعد به بازار عرضه شد، ۲۴۰ برابر بیشتر از این بود. تعداد ترانزیستورهای به‌کاررفته در آیفون ۷، سه میلیارد و ۳۰۰ میلیون عدد بود.
به همین دلیل است که تازه‌ترین برنامه‌ای که شما روی تلفن همراه هوشمندتان دریافت کرده‌اید، بار محاسباتی بسیار بیشتری از نخستین مأموریت فضایی سفر به ماه دارد.
امروزه قانون مور رو به جایی می‌رود که کم‌کم نقض شود و از میان برود، چرا که شرکت‌های سازنده‌ی تراشه، از نظر فضا و ابعاد به محدودیت خورده‌اند و الآن دیگر مجبور به رویارویی با محدودیت اندازه‌های کوچک‌تر از اتم شده‌اند. در آغاز دهه‌ی ۱۹۷۰، فاصله‌ی هر ترانزیستور از دیگری، ده هزار نانومتر بود. امروزه فاصله‌ی هر دو ترانزیستور به ۱۴ نانومتر رسیده است. احتمالا دارد که تا سال ۲۰۲۰ فاصله‌ی ترانزیستورهای مجاور به پنج نانومتر هم برسد. اگر فاصله‌شان بخواهد از این هم کمتر شود، آن‌وقت دیگر تنها چند اتم فاصله خواهند داشت. اگر قرار بر افزایش سرعت و قابلیت کامپیوترها باشد، احتمال دارد که برای ساخت کامپیوترها و پردازنده‌ها به شیوه‌هایی تازه، مثل شیوه‌ی رایانش کوانتومی روی بیاوریم.
تنها یک قسمت ماجرا این است که بدانیم ترانزیستور چیست و چه راهی پیموده. بخش دیگری از داستان که البته کمتر از نیمه‌ی نخست آن روایت شده، این است که چطور همه‌ی این ترانزیستورها کنار همدیگر روی تراشه‌ای جای گرفته‌اند که آن تراشه از بس کوچک است که توی دستگاهی کوچک که ما داخل جیب‌مان می‌گذاریم، جا شده. اما همین تراشه‌ی کوچک، در عین حال چنان قوی است که می‌تواند نرم‌افزارهای مک را اجرا کند و بعد از گذشت زمانی حدود ۱۴ ثانیه، باتری دستگاه را تا انتها مصرف نکند.
تا دهه‌ی ۱۹۹۰ فرض غالب این بود که اغلب کامپیوترها قرار است همواره به منبع برق متصل باشند و برای همین، هیچ محدودیتی برای توان مصرفی ریزپردازنده‌ها وجود نخواهد داشت. کمی بعدتر زمان آن رسید که شرکت‌های سازنده برای محصولات کوچک و قابل حمل، به‌دنبال پردازنده‌ای مناسب بگردند. در آن زمان، تنها یک شرکت بود که پردازنده‌هایی متناسب با نیازهای تولیدکنندگان می‌ساخت. شرکتی واقع در بریتانیا که به‌صورت اتفاقی، توانسته بود پردازنده‌هایی کم‌مصرف تولید کند. طولی نکشید که این پردازنده‌های کم‌مصرف بدل به محبوب‌ترین مدل معماری تراشه در تمام دنیا شدند.
[۱] Apollo
[۲] Julius Lilienfeld
[۳] John Bardeen
[۴] Walter Brattain
[۵] William Shockley
[۶] Raytheon
[۷] Texas Instruments
[۸] Regency TR-1
