Beregning efter silicium

For fire år siden foretog kemiprofessor R. Stanley Williams ved UCLA og computergiganten Hewlett-Packard (HP) midtvejs i karrieren ændringer på samme tid. Virksomheden var vokset til en af ​​verdens førende computer- og mikroprocessorproducenter, men den havde stadig ikke en grundlæggende forskningsgruppe. Williams havde tilbragt de foregående femten år i den akademiske verden og frygtede, at han var ved at miste kontakten med virksomhedens realiteter (tidligere i sin karriere havde han arbejdet i flere år hos Bell Laboratories.) Løsningen: et grundlæggende forskningslaboratorium hos HP ledet af Williams.

Som leder af laboratoriet er Williams' største bekymring fremtiden for computing. Den progressive miniaturisering af siliciumbaserede integrerede kredsløb har ført til mindre, billigere, mere kraftfulde maskiner. State-of-the-art chips har nu funktioner så små som flere hundrede nanometer på tværs (en nanometer er en milliardtedel af en meter). Det er lille. Men ifølge Williams' beregninger vil evnen til at fortsætte med at formindske siliciumbaserede enheder sandsynligvis stoppe et sted omkring 2010. Sådanne forudsigelser er næppe chokerende - andre Silicon Valley-eksperter har nået lignende konklusioner. Hvad der er overraskende er, at Williams mener, at han og hans samarbejdspartnere hos HP og UCLA har fundet en løsning: en levedygtig arving til silicium.

Hvis Williams har ret, vil computing en dag stole på komponenter i nanometerskala, billigt og nemt at samle ved hjælp af simpel kemi. I stedet for nutidens teknik med præcist at skære funktioner på siliciumchips for at skabe komplekse og næsten perfekte mønstre, vil teknikere dyppe substrater i beholdere med kemikalier. Og hvis blandingen er rigtig, vil ledninger og kontakter kemisk samle sig af disse materialer. Det ville muliggøre små, billige og uhyre kraftfulde computere. Dette er en fascinerende vision. Men trods alt er Silicon Valley (og den populære presse) fulde af fascinerende visioner om fremtidens computing. Det, der gør de påfund, Williams laver hos HP, mere overbevisende, er, at de ikke kun er ideer. Sidste år offentliggjorde Williams og hans medarbejdere en rapport i Science, der beskrev en computerarkitektur, der kunne gøre kemisk sammensatte kredsløb mulige; og i juli offentliggjorde gruppen en anden Science-artikel, denne gang, der beskriver syntesen af ​​en første potentiel komponent i deres computer-molekylære elektroniske switches. Resultaterne trak overskrifter i aviser rundt om i landet.

I ugerne før medievanvid, BØRN Seniorredaktør David Rotman chattede med Williams om databehandling efter silicium, grundforskning i højteknologiske virksomheder og hans egen personlige overgang fra universitetet til den private sektor.

TR: Du kom til HP i 1995 for at etablere et grundforskningslaboratorium efter at have været professor ved UCLA. Hvad var din mission?
WILLIAMS: Hewlett-Packard havde aldrig rigtig en grundforskningsgruppe. Tidligere havde der været diskussioner inden for HP, hvor folk sagde, at vi virkelig burde lave mere grundlæggende forskning, vi burde virkelig på en eller anden måde returnere viden til den slags filosofiske diskussioner. Og der var altid nogle få mennesker, der lavede noget grundlæggende arbejde. Men HP indså, at det var nødt til at skabe en separat gruppe, der var mere isoleret fra de daglige krav fra produktforskningen for at have en vedvarende indsats. Jeg blev kontaktet og spurgt, om jeg ville være interesseret i at prøve at starte en grundforskningsgruppe op. Jeg troede fuldt og fast, og faktisk tror jeg endnu stærkere nu, at grundforskning har reel værdi for en virksomhed.

TR: Hvordan demonstrerer du den værdi?
WILLIAMS: Der er flere måder. Den ene er at give en vision for, hvordan elektronik og computing kommer til at se ud i en 10-årig tidsramme. Vi fungerer også som teknologiradar. Vi hører ofte om udviklingen foran folkene i skyttegravene, og vi kan advare dem om, at der er interessante muligheder eller måske trusler på vej. Vi arbejder også på så fundamentale problemer, at hvis vi lykkes, vil udbyttet for virksomheden blive enormt. Og de ved det. Hver intelligent investeringsportefølje har et par lange skud.

TR: Har tingene fungeret, som du forventede, siden du startede laboratoriet?
WILLIAMS: Da jeg kom til HP, havde jeg meget tågede ideer om fremtidens elektronik. Nu har vi en køreplan. Det har været fantastisk. Der er et par ting, der ikke har fungeret, som jeg havde forventet. Jeg havde håbet at få flere fælles forskningsprojekter med de mere anvendte laboratorier. Selvom forskerne selv er interesserede i at arbejde sammen med os, og deres ledere opfordrer dem til det, kan disse samarbejder ikke opretholdes, når folk har deadlines at overholde. Et andet problem er, at vi har været i konkurrence om finansiering med en masse økonomisk afgørende projekter, og derfor er grundforskningen ikke vokset så hurtigt, som man havde forestillet sig, da jeg blev ansat. Vi er lige begyndt at vokse en lille smule.

TR: Hvor godt klarer den højteknologiske industri sig med at udføre grundforskning? Er det at opnå den rette balance mellem at sørge for grundlæggende videnskab, mens man holder øje med bundlinjen?
WILLIAMS: Generelt nej. I nutidens hårdt konkurrenceprægede miljø kan enhver højteknologisk virksomhed gå konkurs inden for tre år - eller betydeligt mindre med introduktionen af ​​internettid. Det er meget svært at være opmærksom på det lange sigt, som for nogle virksomheders bestyrelse er kvartalet efter. Selv i virksomhedernes forskningslaboratorier har presset for at blive bedre tilpasset produktdivisioner, forkorte forsknings- og udviklingscyklusser og bekæmpe daglige brande kollapset synet hos de fleste ledere og forskere til blot et par år ude.

TR: Hvad betyder det for computerindustrien?
WILLIAMS: Jeg tror, ​​at det er ved at blive en strategisk fordel at have en stærk grundforskningskomponent i et virksomhedslaboratorium. Dette er især tilfældet for de højteknologiske virksomheder, der er afhængige af fremskridt inden for elektronik. Der vil være en enorm økonomisk belønning til de virksomheder og lande, der har succes med at udnytte nanometerskalastrukturer og kvantefænomener til beregnings-, kommunikations- og måleapplikationer. Disse er alle stadig på niveau med grundforskning, men de vil være grundlaget for teknologi, længe før jeg er klar til at gå på pension. Virksomheder, der ikke følger med udviklingen, vil ikke kunne følge med senere. Fortune 100 vil se meget anderledes ud om ti år, end det gør nu, og en væsentlig differentieringsfaktor vil være investeringer i grundforskning.

TR: Lad os tale mere specifikt om fremtiden for computing. Du refererer ofte til grænserne for siliciumbaseret databehandling. Hvad er disse grænser?
WILLIAMS: Der er to meget forskellige problemer, som halvlederindustrien står over for i løbet af det næste årti. Den ene er økonomisk. Omkostningerne ved at bygge fabrikker for at fremstille hver ny generation af siliciumchips er steget med en faktor på omkring to hvert tredje år. Et fabrikationsanlæg på 10 milliarder dollar, eller fab, er ikke langt væk. I 2010 vil en fab sandsynligvis koste 30 milliarder dollars. Det andet problem, som er en af ​​hovedårsagerne til det første, er, at siliciumbaserede transistorer begynder at opleve nogle fundamentale fysik- og materialebegrænsninger, efterhånden som de bliver mindre og mindre. For eksempel er antallet af elektroner, der bruges til at tænde og slukke for en felteffekttransistor - grundpillen i nutidens computere, ved at falde i hundredvis, og efterhånden som det bliver meget lavere, vil der være alvorlige problemer med statistiske udsving, der kan virke tilfældigt tænd og sluk den. Der er også problemer forbundet med fysikken i traditionel litografi [brugen af ​​lys til at ætse mønstre på siliciumchips], såsom hvordan man præcist placerer wafers med en præcision på nogle få nanometer. Hvert af disse problemer har en teknologisk løsning, der kan presse endnu en eller to generationers svind ud, men det faktum, at så mange problemer nu skal løses samtidigt, er næsten overvældende.

TR: Vil silicium-baseret teknologi pludselig ramme en væg?
WILLIAMS: Fra et fysisk synspunkt er der ingen grunde til, at industrien ikke kan komme ned til enheder så små som 50 nanometer. Men problemet er, at det bliver mere og mere udfordrende og dyrere at komme dertil. I stedet for at prøve at spille spillet, vil mange virksomheder træffe en økonomisk beslutning om, at de ikke vil lave state-of-the-art chips. Jeg har prædiket dette i nogen tid, og selv er jeg overrasket over, hvor hurtigt det sker. National Semiconductor - her er et firma med halvleder lige i sit navn - kommer ikke til at lave næste generations mikroprocessorer længere. Faktisk annoncerede Hewlett-Packard for nylig, at det vil have sine avancerede processorer bygget i et støberi (støberier er fabrikker, der producerer enheder på kontraktbasis). Til sidst vil der være en eller to fabrikater i verden, der bygger enheder på det nyeste, og disse fabrikater vil sandsynligvis for en stor del blive finansieret af regeringer. Hvilket betyder, at det sandsynligvis ikke vil ske i USA.

TR: Og med denne hastighed, hvor lang tid vil det tage?
WILLIAMS: Mit gæt er, at det bliver før 2012. Det er en stor omgang kylling. Hvem er villig til at bruge pengene på en ny fab?

TR: Hvordan vil de hurtigt stigende produktionsomkostninger og den efterfølgende effekt af, at virksomheder forlader produktion, påvirke mikroelektronikken?
WILLIAMS: Priserne for de varer, vi køber i dag, vil ikke stige væsentligt, men vi vil ikke se de dramatiske forbedringer i ydeevne og fald i omkostninger for siliciumbaserede enheder, som vi har set tidligere. Og det faktum, at så mange store virksomheder slipper ud af forskning i siliciumprocesser, vil helt sikkert skade innovation inden for mikroelektronik i et stykke tid. Dette vil dog også åbne døren for en masse små iværksættere og opfindere, der ønsker at skabe helt nye elektroniske enheder og fremstillingsprocesser. Jeg tror, ​​at det næste årti vil give en af ​​de største eksplosioner af kreativitet, vi har set siden opfindelsen af ​​transistoren.

TR: Du har forudsagt, at med den nuværende svindhastighed vil siliciumbaserede enheder begynde at nå fundamentale grænser omkring 2010. Med hensyn til at finde og udvikle nye teknologier til at erstatte silicium, er det virkelig ikke så langt ude i fremtiden, vel?
WILLIAMS: Det er skræmmende tæt på. Der er endnu ikke en sikker arving til siliciumteknologien. For at have en ny teknologi klar til den tid, skal vi arbejde hårdt lige nu. Hos HP har vi, hvad vi synes er en ret god kandidat, men jeg tror, ​​at teknologien og fremtidens økonomi i dette land ville være meget bedre stillet, hvis der var mere end én arving, hvis der var flere grupper med unikke ideer, der konkurrerede. Der er et par gode ideer derude, men ikke nok.

TR: Jeg er overrasket over, at der ikke er flere, givet hvad der er på spil.
WILLIAMS: Meget af forskningen er på niveau med diskrete enheder. Men der foregår meget lidt arbejde i arkitektonisk skala. I stedet for at se på diskrete grundlæggende enheder, ser vi på funktionen af ​​et helt kredsløb.

TR: I stedet for at forsøge at lave ting i nanometerskala og derefter bekymre dig om, hvordan du måske kan bruge dem, har du allerede i tankerne...
WILLIAMS: En potentiel overordnet struktur. De fleste af de mennesker, der arbejder i dette område, forsøger i det væsentlige at finde ud af, hvordan man laver en molekylær analog af en eksisterende elektronisk enhed; så håber de, at de vil finde ud af, hvordan man forbinder alle disse ting for at lave et kredsløb eller et system. Folk arbejder i bund og grund hårdt på at lave en enkelt mursten og håber, at når de først har lavet den, kan de finde ud af, hvordan man bygger noget ud af den. På den anden side har vi arkitekttegningen af ​​hele bygningen, og vi leder efter de bedste materialer til at opføre den bygning.

TR: Din ambition er at bruge denne plan til at bygge en helt ny type computer, en der er fremstillet ved hjælp af kemi frem for litografi, er det ikke?
WILLIAMS: Vores mål er at fremstille kredsløb i simple kemiske stinkskabe ved hjælp af bægre og normale kemiske procedurer. I stedet for at lave utroligt komplekse og perfekte enheder, der kræver meget dyre fabrikker, ville vi lave enheder, der faktisk er meget enkle og tilbøjelige til fremstillingsfejl. De ville være ekstraordinært billige at lave, og det meste af den økonomiske værdi ville komme i deres programmering.

TR: Det virker lidt kontraintuitivt, at måden at gøre mikroelektronik endnu mindre og mere kraftfuld på er at tillade dem at være defekte.
WILLIAMS: For et år siden udgav vi en artikel i Science, hvori vi taler om, hvad der skal til for at lave en computer ved hjælp af kemisk samling. Svaret var, at du skal have en computerarkitektur, der vil tillade systemerne at have en masse fabrikationsfejl, en masse fejl. Det kalder vi arkitektur defekttolerant. Vi diskuterede et eksempel på en computer, der er blevet bygget her hos Hewlett-Packard, kaldet Teramac. Dette er vores computer arketype; vi tror, ​​at ting, der er baseret på objekter i molekylær skala eller nanometerskala, i fremtiden skal have som en del af deres organiseringsprincipper disse defekttolerante designs, fordi det bliver umuligt at lave så små ting perfekt.

TR: Fortæl os lidt om oprindelsen til din interesse for Teramac.
WILLIAMS: James Heath, en kemiprofessor ved UCLA, og jeg brugte mindst halvandet år på at studere det, før vi var klar til at bygge noget. Vi havde en række diskussioner med en computerarkitekt hos HP, Philip Kuekes, om defekttolerance, og Phil begyndte at tale med os om denne computer, som han havde været med til at bygge. De havde besluttet at bygge det af uperfekte eller defekte siliciumkomponenter, fordi de ville være meget billigere, og bare håndtere de problemer, der dukkede op ved at bruge smart software.

TR: Med andre ord betaler du for et materiales perfektion.
WILLIAMS: Absolut. Perfektion koster mange penge. Og efterhånden som du bliver mere og mere kompleks, bliver omkostningerne ved perfektion højere og højere. Det er hovedårsagen til, at prisen på fabs stiger eksponentielt. Det, vi siger, er, at hvis vi kan lave ting, der er uperfekte, men stadig fungerer perfekt, så kan vi bygge dem meget billigere.

TR: Hvordan får man noget, der er uperfekt, til at fungere perfekt?
WILLIAMS: Teramac har en arkitektur, der er afhængig af meget regulære strukturer kaldet tværstænger, som giver dig mulighed for at forbinde enhver input med enhver udgang. Hvis en bestemt kontakt eller ledning i systemet er defekt, kan du føre rundt om den. Du kan undgå problemerne. Det viste sig, at Teramac havde en kæmpe bonus. Ikke alene er det i stand til at kompensere for produktionsfejl, men Teramac kunne også programmeres meget hurtigt, og det udførte disse programmer med blændende hastighed, fordi det havde denne enorme kommunikationsbåndbredde.

TR: Som konstrueret bruger Teramac siliciumchips, selvom de er defekte. Men din interesse er i at bruge denne arkitektur til at bygge en computer ved hjælp af kemiske processer. Hvorfor er det så lovende for den ansøgning?
WILLIAMS: Teramac blev bygget som et værktøj til at demonstrere nytten af ​​defekttolerance til at bygge komplekse systemer billigere. Selvom det var en succes, er en desktop Teramac endnu ikke økonomisk levedygtig. Det kan være, at Teramac-lignende arkitekturer vil hjælpe med at udvide silicium integrerede kredsløb en generation eller deromkring ved at gøre fabrikater billigere at bygge, men vi ser det enorme potentiale for denne arkitektur i kemisk fremstilling af integrerede kredsløb. Samling af enheder og bestilling af dem med kemiske midler vil være en iboende fejltilbøjelig proces. Men vi har nu bevis for, at et meget defekt system kan fungere perfekt.

TR: Denne faktiske arkitektur kunne give en faktisk måde at gøre computing på?
WILLIAMS: Det er rigtigt. Hardwaren blev bygget, testet og programmeret. Koncepterne er meget velforståede og meget robuste. Nu er den anden fase af alt dette at se, om vi kan bruge de ideer, der kommer ud af grundforskning i nanoteknologi - ideerne om selvsamling, at konstruere små regulære enheder ved hjælp af kemiske procedurer - til rent faktisk at lave noget, der ville være nyttigt. Vores Science paper i juli er, mener vi, det første store skridt i den retning, idet vi demonstrerer, at molekylær elektronisk switching er mulig.

TR: Hvad er det næste?
WILLIAMS: Inden for to år håber vi kemisk at samle en operationel 16-bit hukommelse, der passer i en firkant på 100 nanometer på en side. I dag er en bit i en siliciumhukommelse meget større end en kvadratmikrometer. Så vi leder efter en skalering på mindst tre størrelsesordener i hukommelsestæthed. Vores langsigtede mål, ærligt talt, er at bygge en hel computer med kun kemiske processer. Det særlige mål er 10 år fra nu, hvis alt går godt, og selv da vil vi lave ret simple kredsløb. Men det skal starte et sted.

skjule