Powrót mechanicznego komputera

Niewielu ludzi wie, że pierwszy zaprojektowany komputer nie składał się z elementów elektronicznych, tylko mechanicznych. W czasach wiktoriańskich wymyślił go genialny Charles Babbage. Do lat osiemdziesiątych można było jeszcze w Polsce zobaczyć mechaniczne kasy sklepowe, które przy braku prądu działały na korbkę. Od tego czasu zarzucono całkowicie - poza zabawą - mechaniczne maszyny liczące. Być może jednak, że powrócą one do niektórych zastosowań, tam, gdzie elektronika się nie sprawdza.

Krzemowe układy scalone zapewniają niesamowitą szybkość obliczeń, ale mają jedną wadę: wrażliwość na temperaturę. Kryształy krzemu niszczeją już przy temperaturze około 250ºC, oparta na nich elektronika przestaje funkcjonować znacznie wcześniej. Do wzmacniania odporności krzemu można używać węglika krzemu, ale takie układy elektroniczne są powolne i wymagają wysokich napięć.

Dlatego zespół inżynierów Case Western Reserve University pod kierunkiem Te-Hao Lee i Mehrana Mehregany'ego powrócił do idei układów mechanicznych. Ale nie będą one się już składać z wielkich przekładni i kół zębatych. Wszystko zostanie wykonane w nanoskali.

Pierwszym sukcesem jest stworzenie mechanicznej wersji inwertera (bramki logicznej NOT), jednego z podstawowych elementów elektronicznych. Zamiast wykorzystywać półprzewodniki, konstrukcja wykorzystuje jednak miniaturowe dźwignie, poruszane dzięki sile przyciągania elektrostatycznego. Wykonany prototyp działał z prędkością 500 tysięcy przełączeń na sekundę i wykonywał poprawne obliczenia przy temperaturze nawet 550ºC.

Wyniki są obiecujące, choć pozostaje do rozwiązania wiele trudności. Elementy mechaniczne zużywają się bardzo szybko w porównaniu do półprzewodnikowych, bo już po dwudziestu miliardach cykli. Znikoma jest prędkość takiego układu obliczeniowego, nawet w porównaniu ze współczesnym procesorem w telefonie komórkowym. To akurat nie musi być dużą wadą, bo oczywiście tak skonstruowany komputer nie będzie wykorzystywany w naszych domach, znajdą się dla niego niecodzienne zastosowania, jak na przykład w elementach kontroli silników rakietowych.

Zespół uważa jednak, że możliwe jest zwiększenie wytrzymałości mechanicznych nanodźwigni o poziomu większego od współczesnych mikrokontrolerów oraz osiągnięcie prędkości przełączania liczonej w gigahercach. Aktualnie jednak trwają prace nad dodaniem bardziej złożonych elementów logicznych, jak rejestry oraz sumator.

Tym, którym trudno wyobrazić sobie takie elementy, polecamy krótki film pokazujący działanie mechanicznego sumatora, analogicznego to tego, jaki znajduje się w każdym mikroprocesorze. Z tą różnicą, że zamiast elektronów używa się kulek.

komputer mechaniczny Charles Babbage mechaniczna bramka logiczna Case Western Reserve University Te-Hao Lee Mehran Mehregany