Elektronik bir sensör, fiziksel girdileri algılayan ve sinyal işleme sonucunda bir ekran üzerinde ya da elektronik formda çıktı oluşturan bir bileşendir. Elektronik nanosensörler nano ölçekte üretilir. Elektronik sensörler, transistör yapısından (FET nanosensör vb.) temel alır. Bu bölümde açıklanan elektronik nanosensörlerin iki ana uygulama sektörü sağlık hizmetleri ve otomotivdir. Otomotiv alanında kullanılan sensörler eylemsizlik ve hareket sensörleri (seviye, tork, çevre, basınç, hareket ve konum sensörleri), sürücü destek sensörleri (lazer, radar, görüntü, ultrasonik sensörler) ve çevre izleme sensörleri (sıcaklık, yağmur, nem, gaz, partikül madde sensörleri) olarak sayılabilir.
Tıp alanında kullanılan sensörler ise implant edilebilir sensörler (biyonik göz, kulak için koklear implant veya işitsel beyin sapı implantları, ortopedideki elektriksel kemik büyümesi stimülatörleri, kalp pili, yapay kalp veya kalp kapakçıkları, kardiyak ventriküler destek cihazı, sinir sistemi/beyin için nörostimülatörler), giyilebilir sensörler ve diğer tıbbi sensörler olarak kategorize edilebilir. Giyilebilir sensörler, işitme cihazı veya gözlüklere takılabilir, bilekte
~ 151 ~
(bant veya saat) ya da vücutta (şapka, çorap veya ayakkabı) taşınabilir veya bo- boyuna asılabilir. Nesnelerin İnterneti (IoT) daha çok önem kazandıkça ve devre küçültme, düşük enerjili mikrokontrolör, ön uç amplifikasyon ve kablosuz veri aktarımı geliştikçe bu sensörlerin sağlık hizmetlerindeki kullanımının artması beklenmektedir.
Yukarıda bahsedilen sensör tiplerinin çoğu tüketici elektronikleri, savunma ve enerji sanayileri gibi pek çok diğer sektörde de kullanılabilir.
Otonom-sürücüsüz araçlardaki ana sensör tipleri görüntüleme cihazları (kamera, kızılötesi sensör, ışık algılama ve mesafe belirleme sensörleri), kısa ve uzun menzilli radar sensörleri, lazer ve ultrasonik sensörlerdir.
4.2.2 Nanobilgisayarlar
Nanobilgisayarlar, kendisinden önce mini ve mikro bilgisayarlardan çok daha küçük olan ve nanoteknoloji ile üretilmiş nano ölçekli bileşenlerden oluşan bilgisayarlardır. Bir nanobilgisayarın tamamı mikroskopik boyutlarda olabilir. Bir nanobilgisayarın parçaları nano ölçektedir ve her biri birkaç nanometre büyüklüğündedir.
Dünyanın her yerinden Bilgisayar Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri lisans öğrencilerine bilgisayar tasarımında Von Neumann kavramı ve mimarisi öğretilmiştir. Bilgisayarın Von Neumann mimarisi üç ana bileşenden oluşur: merkezi işlem birimi (CPU-şu anda bir mikroişlemci), bellek ve giriş/çıkış (I/O) arabirimleri. Bu bileşenleri birbirine bağlamanın birkaç yolu vardır. Bu bileşenler, veri yolu olarak bilinen bir dizi sinyal hattı ile birbirine bağlanır. Bir nanobilgisayarda bileşenler nanoteknoloji kullanılarak nano ölçekte üretilecek ve veri yolları da nano teller ya da kuantum bilgisayarı özelinde kuantum veri yolları ile yer değiştirebilecektir.
Nanobilgisayarların şu şekilde çalışması gerekir: Günümüz işlemcilerinin kullanıldığı konvansiyonel bilgisayarların yerini, nano işlemciler kullanan nanobilgisayarlar alacaktır. Bu nano işlemciler, konvansiyonel bilgisayarlara kıyasla çok daha yüksek performans ve hız sunacaktır. Araştırmacılar, nanolitografik yöntemler kullanarak daha iyi nano işlemciler tasarlamaya yönelik çalışmalar yapmaktadır. Ayrıca konvansiyonel işlemcilerdeki CMOS bileşenlerini nanotellerle değiştirmek üzerine de çalışmalar yürütülmektedir. Nanobilgisayarlarla birlikte FET’lerin yerine karbon nanotüpler kullanılabilir.
~ 152 ~
Günümüzde bilinen, ticari olarak tüketiciye sunulmuş nanobilgisayarlar mevcut değildir. Bu bilgisayarlar yalnızca özelleştirilmiş moleküler üretim teknikleriyle yapılabilir (moleküler üretici ve moleküler birleştirici bu teknikler üzerine yapılan yeni çalışmalara örnek olarak verilebilir). Bu kitap kapsamında moleküler üretim tekniklerine yer verilmemiştir.
Nanobilgisayarlar elektronik, mekanik, kimyasal/biyokimyasal teknolojiler veya kuantum teknolojileri kullanılarak üretilebilir ancak bunlar arasında en hızlısı elektronik nanobilgisayarlardır. Elektronik nanobilgisayarlar, mevcut mikro bilgisayarlara benzer şekilde çalışır. Bu ikisi arasındaki en büyük fark fiziksel ölçekleridir. Kimyasal/biyokimyasal nanobilgisayarlar bilgi depolama ve işlemeyi kimyasal yapılar ve etkileşimler üzerinden gerçekleştirecektir. Doğada halihazırda biyokimyasal nanobilgisayarlar bulunmaktadır (ağaçlar veya antikorlar gibi) ancak bunları programlayamayız. Bir kimyasal nanobilgisayar geliştirebilmek için mühendislerin, atomlara veya moleküllere kontrol edilebilir hesaplama ve veri depolama görevleri yaptırmanın bir yolunu bulması gerekmektedir. Bu aşamada bir kimyasal nanobilgisayarın gelişimini, genetik mühendisliğinin süreçlerine benzetebiliriz. Genetik mühendislerinin, DNA’nın (genetik bilgiyi taşıyan deoksiribonükleik asit taşıyıcısı) bir organizmayı değiştirmesi için bir yöntem geliştirmesi gerekmektedir. Bilgisayar mühendislerinin ise bir kimyasal nanobilgisayar geliştirebilmek için atomlara veya moleküllere kontrol edilebilir hesaplamalar ve veri depolama görevleri yaptırabilmesi gereklidir. Mekanik nanobilgisayarlar ise bilgiyi kodlamak için elektronik bileşenler yerine nano dişliler (nano ölçekli dişliler) kullanacaktır. Kuantum bilgisayarları ise veriyi atomik kuantum durumlarında (veya bir çeşit açısal momentum olan kuantum spini içerisinde) depolayacaktır. Teorik olarak bir atom içerisindeki elektronun enerji durumu buna örnek olabilir. Elektron enerji durumlarını tahmin ve kontrol etmek zordur, dolayısıyla şu anda kuantum teknolojisi bir kararsızlık sorunuyla karşı karşıyadır.
Yarı iletken transistörler yaklaşık 50 nm’nin altında iyi işlev gösteremediği için nanobilgisayarların bu transistörlerden yapılması pek muhtemel değildir. Transistörleri 100 nm’den küçük olduğu için şu anda nanolitografi ile üretilen yongalar “nanoteknoloji” ürünü olarak kabul edilebilir. Ancak nanolitografi işlemi üstün hassasiyete sahip gerçek nanobilgisayarları üretme kapasitesine sahip olmayabilir. Nanoteknoloji, birim hacim başına maddenin atomik yapısının izin verdiği kadar fazla transistör içeren nanobilgisayarlar üretilmesini mümkün kılacaktır. Bu bilgisayarlar çok daha verimli olacak, çok daha az atık
~ 153 ~
ısı oluşturacak ve üçüncü boyuta transistör elemanları “yığılmasını” sağlayacak- sağlayacaktır. Nanobilgisayarlar, yapılarındaki her bir atomun işlem elemanı olarak kullanılabileceği bir yapıda üretileceklerdir.
Nanobilgisayarlar, üstün süper hesaplama görevlerinin yanı sıra “devasa verilerin” (yüksek hacimli yapılandırılmış veya yapılandırılmamış veriler) ve yapay zekanın yüksek performanslı yönetimi konusunda da çok büyük rol oynayacaktır. Enerji, ulaşım, üretim, tıp, yüksek başarımlı hesaplama, iletişim, eğitim, finans, kamu yönetimi ve sosyal ağlar da dahil olmak üzere her alanda toplanan verilerdeki devasa artış, nanobilgisayarların gelecekteki tüm teknik, idari ve sosyal içerik yönetimlerinde hayati bir rol oynayacağına işaret etmektedir.