ננו-מחשב

ננו-מחשב הוא שם המציין מכלול רכיבים בעלי כושר חישוב כאשר מידתו הפיזית הכוללת של המכלול קטנה יותר ממיקרו מחשב. הננו-מחשב הוא אבן דרך בתהליך האבולוציה של תהליך המזעור. ננו-מחשבים אלקטרוניים הם מכלולים המבוססים על שבבים שבהם מודפסים מעגלים משולבים בקנה מידה ננומטרי.
בנוסף לננו-מחשבים אלקטרונים פותחו ננו-מחשבים מכניים, ביוכימיים וביולוגיים הנקראים גם ביו מחשבים.

רקע היסטורי
ננו-חישוביות הוא חלק מהתחום מתפתח הנקרא ננוטכנולוגיה. בננו-מחשב אלקטרוני יותר ויותר טרנזיסטורים נדחסים אל תוך רכיב של סיליקון כאשר הגבול הסופי למספר של טרנזיסטורים ליחידת נפח נכפה על ידי המבנה האטומי של החומר. דחיסת המעגלים מאפשרת להגדיל את קיבולת האחסון ולשפר את מהירות העיבוד. מרבית המהנדסים מסכימים שהטכנולוגיה עדיין לא הגיעה לקצה גבול יכולתה אף על פי שכבר מתכננים חומרים חדשים שיחליפו את הצורן (סיליקון) בתעשיית המוליכים למחצה.
המחשבים הראשונים של שנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20 כדוגמת Main frame תמכו באלפי משתמשים. גודלם היה כגודל של כמה ארונות, הם היו בעלי יכולת אבטחת מידע ובעלי יכולת עבודה למשך שנים ללא הפסקה. מחשבים אלו היו אמינים, זמינים ושמישים -RAS. המחשב השתמש באפיק נתונים BUS של 12 סיביות.

לאחריו, בסוף שנות ה-60, הופיע המיני-מחשב. המיני מחשב היה מחשב מהדור השלישי ומידותיו היו קטנים יותר. המיני מחשב השתמש במעגלים משולבים ובזיכרון מגנטי. מחשבים אלה היו בשימוש מסוף שנות ה-60 עד סוף שנות ה-70, בדרך כלל הם היו כגודל של ארון. ה"מיני-מחשב" היה זול יחסית והיווה אתגר בגלל הקצב הגודל והולך של פיתוח התוכנה באותה תקופה.
בהשוואה למיני מחשב שגודלו היה כגודל ארון המחשב המרכזי היה מורכב ממספר רב של ארונות הפרוסים באולם גדול, כאשר כל יחידה (מעבד, זיכרון או דיסק קשיח) תפסה ארון משלה. בעוד שמחיר מחשב מרכזי היה כמה מיליוני דולר, מחשבי המיני היו זולים יחסית: מכ-5,000 דולר ועד לכמה עשרות אלפי דולר.
בשנת 1977 הכריזה חברת דיגיטל על סדרת מחשבי ה-VAX שהיה מחשב ה-"סופר מיני" המובהק ביותר, עם זיכרון וירטואלי ואפיק נתונים של 32 סיביות. ייצורם המשיך עד שנת 2000 והם היוו את הדור האחרון של מחשבי המיני.
מיני מחשב שימש גשר חשוב בין המחשבים הראשונים שהיו נדירים לבין המיקרו מחשבים שהופיעו בשנות ה-80 של המאה ה-20. 
המיקרו מחשבים הם מחשבים זולים ונפוצים וכוללים את המחשבים האישיים PC ומחשבי השולחן. מחשבים אלו פועלים על בסיס מיקרו-מעבד (מיקרופרוססור) ומהווים את הדור הראשון של המחשבים הביתיים.
כל מיקרו-מחשב מכיל ארבעה מרכיבים עיקריים והם: מיקרו-מעבד הכולל גם יחידה אריתמטית-לוגית ויחידת נקודה צפה (Floating-point), זיכרונות, יחידת קלט (Input) ויחידת פלט (Output). בנוסף, מאחר שהמיקרו-מעבד צריך לבצע חישובים רבים, לפנות לזיכרונות ולהתקני קלט/פלט (I/O), פותחו רכיבים היקפיים (פריפרייליים) חכמים שיעזרו וייקלו על עבודת המיקרו מעבד. יתר על כן, רכיבים אלו נחוצים ומייעלים את עבודת המערכת, ובלעדיהם המערכת תעבוד לאט ובצורה לא יעילה. הרכיבים ההיקפיים הם מתוכנתים (באמצעות פקודות ניתן לשלוט על תצורת העבודה של הרכיב). ברוב מערכות המיקרו-מחשבים השתמשו ברכיבים הבאים: מעבד 486 של אינטל, רכיבים היקפיים שיקלו על עבודת המיקרו מעבד (של אינטל) מונה מתוכנת, בקר קלט/פלט, בקר פסיקות, בקר תקשורת טורית ובקר גישה ישירה לזיכרון. הדגמים הראשונים כללו מעגל מודפס בודד שכלל תצוגה ולוח מקשים (בדומה למחשבון).
מחשבים אלה אפשרו התחברות לטלוויזיה, תוכנות, משחקים. המחשבים כללו מערכת הפעלה CP/M (מקור של ה-MS-DOS).
בתחילת שנות האלפיים הופיעו הננו-מחשבים האלקטרוניים כאשר גודלם הפיזי הוא בגודל של קופסה קטנה או כרטיס קטן. המונח ננו-מחשב משמש יותר ויותר להתקני מחשב כלליים הדומים בגודלם לכרטיס אשראי, טלפונים חכמים ועוד.

התפתחות

סוגים של ננו מחשבים
• ננו-מחשב אלקטרוני
• ננו-מחשב מכני
• ננו-מחשב ביולוגי או ביוכימי

ננו מחשבים אלקטרונים 
ננו-מחשב אלקטרוני פועל בצורה דומה לזו שבה פועל מחשב שאותו אנו מכירים היום. ההבדל העיקרי הוא הגודל, יותר ויותר טרנזיסטורים נדחסים אל תוך שבב של סיליקון כאשר אנו עדים לכך שהמעגלים המשולבים מסוגלים לקיבולת אחסון ומהירות עיבוד גבוהה יותר.
דוגמאות:

ארדואינו
ארדואינו - (מאיטלקית: Arduino) הוא מיקרו-בקר בעל מעגל מודפס יחיד, (Single Board MicroController), עם סביבת פיתוח משולבת IDE ברישיון קוד פתוח, אשר מטרתה ליצור סביבה נוחה וזולה לפיתוח פרויקטים המשלבים תוכנה עם רכיבי אלקטרוניקה. לארדואינו קהילת משתמשים גדולה ומדריכים מקוונים המסייעים להוריד את חסם הכניסה לתחום הפיתוח המשלב חומרה ותוכנה. שפת התכנות של הארדואינו היא שפת C++ עם שינויים קטנים, שנעשו כדי להתאים את השפה למשאבים שנמצאים בארדוינו ולביצועיו.

Raspberry Pi

ראספברי פיי- הוא מחשב בעל מעגל מודפס יחיד (single board computer) המריץ לינוקס ומסוגל לתפקד כמחשב לכל דבר. בנוסף ליחידת עיבוד מרכזית מסוג ARM 11 700MHz הוא כולל בתוכו גם מעבד גרפי שמותאם ל- OpenGL זיכרון בגודל MB 256, חיבורי USB, רשת, חיבורי HDMI ואודיו. כל אלה יושבים על מעגל מודפס - PCB בגודל של 106 סמ"ר. בנוסף מובנה בתוכו תושבת לכרטיס זיכרון SD אשר מאפשר קיבולת זיכרון גדולה יותר (ומיישמת בפועל דיסק קשיח). היצרן מציע מערכת הפעלה של דביאן שנקראת Raspbian.

אייפון/טאבלט
IPhones/Tablets – טלפון חכם בעל מסך מגע "מולטי-טאץ'" של חברת אפל. המכשיר משלב יכולות של טלפון סלולרי ומחשב כף יד המסוגל להתחבר לאינטרנט. המכשיר הוצג לראשונה ב-29 ביוני 2007 וזכה לתגובות נלהבות בזכות עיצובו וסגנונו, ונחשב למכשיר שהחדיר את צג המגע לתודעת הציבור.

ננו-מחשבים מכניים
ננו-מחשבים מכניים בנויים מחלקים מכניים בגודל ננומטרי ולא מטרנזיסטורים. ננו-מחשבים מכניים ישתמשו ברכיבים נעים זעירים ביותר הקרויים ננו גירים כדי לקודד מידע. מכונה כזו מזכירה מאוד את המנוע האנליטי של צ’רלס בבאבג’ מהמאה ה-19. מסיבה זו, הננו-מחשב המכני עורר מחלוקת, מכיוון שחוקרים מסוימים מחשיבים אותו כ”מכונה” שלא תעבוד. יתרונות הננו-מחשב המכני הם: העמידות בטמפרטורות גבוהות, צריכת הספק נמוך ואפשרות לפעולה בתנאים קשים.

ננו-מחשבים ביולוגים וביוכימיים
ננו-מחשבים ביולוגיים או ביוכימיים הנקראים גם ביו-מחשבים מאחסנים ומעבדים מידע באמצעות מבנים כימיים ואינטראקציות כימיות ופעולות ביולוגיות. ננו-מחשבים ביוכימיים הם חלק מפעילות הביוכימית והביומולקולרית של יצור חי. לאחר שהאדם באמצעות המדע נחשף לידע אודות התהליכים הסבוכים המקיימים תהליכי בקרה ניטור המאפשרים את ההומאוסטזיס הוא רותם ידע זה כדי לקיים תהליכי חישוב ואחסון מידע באותם כלים, לדוגמה: פותחה מערכת חישוב זעירה המורכבת ממולקולות DNA שכל רכיב בה מגיב לנוכחותם של רכיבים ביולוגיים אחרים בצורה המייצגת פעולה לוגית. ביו-מחשב כזה מסוגל לבצע חישוב פשוט כגון זיהוי מולקולה או מספר גורמים מולקולריים המעידים על תהליך סרטני.

באוגוסט 2009 חוקרים ממכון ויצמן למדע פיתחו ננו-מחשב ביולוגי הניתן לתכנות. קבוצת חוקרים, המורכבת מתלמידי המחקר בראשות פרופ' אהוד שפירא, פרסמו במגזין המדעי המוערך Nature Nanotechnology מאמר המתאר ננו-מחשב ביולוגי שפיתחו המאפשר להשיב לשאלות הבנויות על היסק לוגיהיסקים לוגיים.
ביו-מחשב הוא מערכת זעירה המורכבת ממולקולות, שכל רכיב בה מגיב לנוכחותם של רכיבים ביולוגיים אחרים בצורה המייצגת פעולה לוגית, לדוגמה החזרת תשובה "אמת" או "שקר" על שאלה כמו "האם ישנו מספר זוגי של אפסים ברשימת מספרים נתונה". חישובים כאלה עומדים בבסיס כל מדעי המחשב, והמערכות הביולוגיות, שגודלן הזעיר מאפשר לרכז מיליארדים מהן בטיפה אחת של תמיסה. ננו-מחשב ביולוגי יכול לספק אלטרנטיבה ביולוגית למערכות האלקטרוניות אשר בשימוש במחשבים בימינו. היתרון בביו-מחשב שהוא מתאים לתווך של עולם החי ובכך מאפשר פיתוח של רפואה חכמה ותרופות חכמות.

המערכת שפותחה במכון ויצמן מסוגלת לפרש פסוקיות של לוגיקה פורמלית ולהגיע לתשובות נכונות בהתבסס על היסקים לוגיים. "לוגיקה פסוקית", כפי שהיא מכונה, עומדת גם בבסיסן של "מערכות מומחה" (Expert Systems), מערכות מחשב לקבלת החלטות. בנוסף, פיתח צוות המחקר מערכת תרגום המאפשרת לחוקר לכתוב הוראות ושאלות בשפת תכנות רגילה, והמערכת תתרגם את הפקודות לתמיסות ביולוגיות וריכוזי מולקולות DNA שבאמצעותן נעשה החישוב.
החוקרים שואפים להשתמש בעתיד ביכולות החדשות במערכות המכונות "רופא בתוך התא": מיליוני רכיבים שתוכננו על ידי האדם והמהווים ביו-מחשב יוכנסו לגוף האדם ויזהו מצבי סכנה, כגון זיהום חיידקי, גידולים, ועוד - ויגיבו באופן אוטומטי על ידי הפרשת תרופות או התרעה מוקדמת.

ראו גם
 מיקרו-מחשב
 ביו-מחשב
 ננו-מעגלים

קישורים חיצוניים
 
 
 

סוגי מחשבים
ננוטכנולוגיה
מיקרואלקטרוניקה