پردازشگرهای امروزی از ماده ای به نام سیلیکون ساخته می شوند ؛ سیلیکون نیز از یک ماده بسیار فراوان بر روی سطح زمین ساخته می شود که همه ما با آن آشنا هستیم : شن ! با گذشت زمان که فناوری به سمت ساختن مدارهای کوچک تر علاقمند شد ، دانشمندان نیز توانستند پردازشگرهای 90nm را با پردازشگرهای 14nm جایگزین کنند . انتظار می رود که در سال 2021 اندازه پردازشگرها حتی کوچک تر شود و به 7nm یا حتی 5nm برسد زیرا تراشه سازان به دنبال جایگزین کردن فناوری های قدیمی هستند و در این بحث ممکن است که از مواد بیولوژیکی نیز استفاده شود .

برگی از تاریخ ! 

تراشه 4004 ، اولین میکرو پردازشگر اینتل ،  2,300 ترانزیستور داشت ، در حالی که تعداد این قطعات در پردازشگرهای مدرن امروزی ممکن است از چند میلیارد قطعه نیز تجاوز کند . این فناوری از طریق جا دادن تعداد بیشتری ترانزیستور در یک حجم یکسان از مواد سیلیکونی به وجود آمده است اما مشکل اینجاست که قوانین فیزیک همیشه مانع می شوند و بالا بردن تعداد ترانزیستورها نیز افزایش حرارت در هنگام کار کردن یک پردازشگر را به دنبال دارد ، به این نحو که هرچه توان بیشتری از پردازشگر گرفته شود ، حرارت بیشتری نیز تولید می شود ، به همین دلیل تراشه سازان به منظور خنک کردن پردازشگرهای 8GHz از نیتروژن مایع استفاده می کنند . 

پردازشگرهای امروزی بسیار پیچیده تر از پردازشگرهای تک هسته ای قدیمی هستند ؛ این قطعات الکترونیکی از چند هسته با معماری 3 بعدی بهره می برند و به نوعی شاهکارهای مهندسی محسوب می شوند اما مسئله این است که دیر یا زود دوره پردازشگرهای سیلیکونی هم به آخر می رسد زیرا این قطعات در آینده نزدیک دیگر نمی توانند حجم توان پردازشی مورد انتظار کاربران را تامین کنند و از طرفی ما نیز به اجزایی نیازمند می شویم که تنها چند اتم ضخامت دارند . پس در آینده چه کنیم ؟!

پردازشگرهای سیلیکونی را به قفسه ها محدود می کنیم !

می توانیم همچنان از سیلیکون اما به نحوی متفاوت استفاده کنیم . به طور مثال پردازشگرهای امروزی عمدتا به شکل تخت ساخته می شوند ؛ می توانیم به جای بالا بردن تعداد ترانزیستورها در یک فضای ثابت از یک راهکار معماری دیگر استفاده کنیم و ارتفاع پردازشگرهای سیلیکونی را بیشتر نماییم .

می توانیم از راهکار III-V هم استفاده کنیم و همه عناصری را که در جدول تناوبی در اطراف سیلیکون قرار گرفته اند ، به کار ببندیم . این امر مقدار توان مورد نیاز برای گرداندن الکترون ها را کاهش می دهد و باعث می شود که بتوانیم ترانزیستورهای کوچک تری بسازیم و آن ها را در یک فضای کمتر نیز متراکم سازی کنیم . بهترین عنصر برای ساختن چنین قطعاتی نیترید گالیم می باشد که در ساخت لامپ های LED به کار می رود و می تواند در مقایسه با ارسنيک گاليم دمای بالاتری را تحمل کند .

راه دیگر تجدید نظر کردن در مورد CPU ها می باشد . در حال حاضر همه شرکت ها دیدگاه یکسانی در مورد پردازشگرها پیدا کرده اند و اگر که با کمی دقت نگاه کنیم متوجه می شویم که هم اکنون به GPU ها میدان بیشتری داده می شود . به نظر می رسد که سازندگان تصمیم گرفته اند که بین GPU ها و CPU ها بر اساس توان این قطعات تقسیم وظایف کنند .

پیوند با کربن !

اگر که سیلیکون را از دور خارج کنیم چه می شود ؟ در چنین وضعیتی کربن می تواند در یک قالب ریز لوله ای وارد میدان شود . چند وقت پیش IBM مقاله ای را در زمینه یک روش جدید برای ساختن ریزلوله های کربنی از صفحات گرافن منتشر کرد . برخلاف دفعات قبلی در روش پیشنهادی IBM دیگر مشکل افزایش مقاومت الکتریکی وجود نداشت زیرا در این طرح سطح تماس بین ذرات کاهش یافته بود . IBM می گوید که با کمک این فناوری می تواند در یک دهه آینده پردازشگرهای جدیدی را با کمک ریز لوله های کربنی بسازد .

با وجود این شی جن هان ، یکی از اعضای IBM ، می گوید که هنوز فاصله زیادی تا عرضه کردن چنین پردازشگرهایی در بازار وجود دارد . هان می گوید : " ما هم اکنون توانسته ایم روشی را خلق کنیم که در آن ریز لوله های کربنی می توانند به طور خودکار در ویفر ( Wafer ) به یکدیگر وصل شوند و ملکول هایی مخصوص را بسازند اما هنوز باید چگالی این ریز لوله ها و قابلیت تکثیر پذیری آن ها را در ویفر افزایش دهیم . "

هنوز راه زیادی باید پیموده شود اما زمانی که IBM بتواند طرح خود را تکمیل کند ، می توانیم پردازشگرها را با قابلیت های بیشتری به کار بگیریم . هان می گوید : " ترانزیستورهایی که با استفاده از ریز لوله های کربنی ساخته می شوند سرعت بیشتری دارند و انرژی کمتری را مصرف می کنند . این قطعات انعطاف پذیر و شفاف هستند و به همین دلیل سازندگان می توانند در طرح های آینده نگرانه ای نظیر ساخت قطعات الکترونیکی بسط یافتنی و انعطاف پذیر از آن ها استفاده کنند . "

استفاده از مواد آلی !

در سال 2011 یک محقق بلژیکی توانست با ماشین کردن 4000 ترانزیستور پلاستیکی بر روی یک فویل پلاستیکی انعطاف پذیر یک میکرو پردازشگر پلاستیکی بسازد . این قطعه نه چندان قدرتمند بسیار ارزان بود و می توانست یک برنامه 16 دستوری را اجرا کند . اگر که تحقیقات بیشتری در زمینه ماشین کاری ورقه ای انجام شود امکان ساختن این پردازشگرها حتی با بهای پایین تری نیز فراهم می شود . این امکان وجود دارد که بتوانیم با استفاده از جوهر های آلی پردازشگرها را ماشین کاری کنیم .

برای رسیدن به چنین هدفی به دستگاه های آلی دقیق تری نیازمندیم و البته مشکل تغییر پذیری نیز وجود دارد زیرا ترانزیستورهای پلاستیکی به اندازه انواع سیلیکونی قابل پیش بینی نیستند .

شاید باید در مقدار قطعات تجدید نظر کنیم !

شاید مشکل از الکتریسیته است و نه از سیلیکون ! از جایگزین های احتمالی و توانمند سیلیکون می توان به رایانه های فوتونیک و نوری اشاره کرد که با نور کار می کنند . البته چنین رایانه هایی هم مشکلات خاص خود را دارند ؛ برای مثال نور با زوایای تند رابطه خوبی ندارد و از طرفی سیم های نوری هم باید در مقایسه با انواع الکترونیکی خود اندازه بزرگ تری داشته باشند . کوچک سازی ترانزیستورهای نوری یک فرآیند بسیار پیچیده می باشد .

در اواخر سال 2015 محققان به یک پیروزی جدید دست یافتند و توانستند تعدادی از مدارهای فوتونیکی را با تعدادی از مدارهای الکترونیکی در یک تراشه ترکیب کنند . والدامیر استوجانوویک ، محقق ارشد این پروژه ، می گوید : " تراشه ساخته شده اولین تراشه ای بود که توانست با کمک نور با جهان خارج ارتباط برقرار کند . هیچ یک از تراشه هایی که تا به حال ساخته شده است ،  I/O فوتونیک ندارد . "

این تراشه توانست به چگالی 300gb/s دست یابد که 10 برابر ظرفیت میکرو پردازشگرهای الکتریکی است . نمونه اولیه این تراشه هم توان چندانی نداشت اما توانست به واسطه ترکیبی از مدارهای فوتونیکی و الکتریکی پردازش نوری را به نوعی در اختیار رایانه های ما بگذارد . 

به سوی کوانتوم !

پردازش کوانتومی یک جایگزین دیگر است . اولین پردازشگر کوانتومی در سال 2009 ساخته شد و هم اکنون گوگل هم مشغول ساختن مدل کوانتومی خود می باشد . رایانه های کوانتومی مانند انواع سنتی از سیستم دودويى استفاده نمی کنند . در سیستم دودويى 0 حالت غیر فعال و 1 حالت فعال است درحالی که در سیستم کوانتومی اعداد می توانند در یک لحظه در چند حالت مختلف ظاهر شوند و به همین دلیل است که رایانه های کوانتومی می توانند در آن واحد چند آپشن را مد نظر قرار دهند . 

در یک رایانه کوانتومی 64 بیتی هر 64 بیت ثبتی می تواند 18,446,744,073,709,551,616  ارزش مختلف را در یک زمان پردازش کند . 

در حال حاضر دولت ها و سازمان های زیادی در سر تا سر جهان مبالغ سنگینی را در زمینه پژوهش های مرتبط با پردازش های کوانتومی سرمایه گذاری می کنند اگرچه که هنوز راه زیادی باید تا ساختن یک مدل واقعی پیموده شود .