Hvad skete der med DNA computing?

Da den første transistor blev skabt, i 1947, kunne få have forestillet sig den endelige virkning af denne enhed - switchen, der ligger i hjertet af logiske chips.

Vi har silicium at takke for computerens store overtagelse. Tilføj en lille knivspids urenheder til elementet, og silicium danner et materiale, der næsten er ideelt til transistorer i computerchips.

Denne historie var en del af vores november 2021-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I mere end fem årtier har ingeniører krympet siliciumbaserede transistorer igen og igen og skabt gradvist mindre, hurtigere og mere energieffektive computere i processen. Men den lange teknologiske sejrsrække – og den miniaturisering, der har muliggjort det – kan ikke vare evigt. Der er behov for teknologi til at slå silicium, for vi er ved at nå enorme begrænsninger på det, siger Nicholas Malaya, der er computerforsker ved AMD i Californien.

Hvad kunne denne efterfølgerteknologi være? Der har ikke været mangel på alternative computermetoder, der er foreslået i løbet af de sidste 50 år. Her er fem af de mere mindeværdige. Alle havde masser af hype, blot for at blive ramt af silicium. Men måske er der håb for dem endnu.

Spintronics

Computerchips er bygget op omkring strategier til at kontrollere strømmen af ​​elektroner - mere specifikt deres ladning. Ud over ladning har elektroner dog også vinkelmomentum, eller spin, som kan manipuleres med magnetiske felter. Spintronics opstod i 1980'erne med tanken om, at spin kan bruges til at repræsentere bits : én retning kunne repræsentere en og den anden 0 .

I teorien kan spintroniske transistorer gøres små, hvilket giver mulighed for tætpakkede chips. Men i praksis har det været svært at finde de rigtige stoffer til at konstruere dem. Forskere siger, at en masse grundlæggende materialevidenskab stadig mangler at blive udarbejdet.

Ikke desto mindre er spintroniske teknologier blevet kommercialiseret på nogle få meget specifikke områder, siger Gregory Fuchs, en anvendt fysiker ved Cornell University i Ithaca, New York. Hidtil har den største succes for spintronics været ikke-flygtig hukommelse, den slags, der forhindrer tab af data i tilfælde af strømsvigt. STT-RAM (til spin transfer torque random access memory) har været i produktion siden 2012 og kan findes i cloud-lagerfaciliteter.

Memristorer

Klassisk elektronik er baseret på tre komponenter: kondensator, modstand og induktor. I 1971 teoretiserede den elektriske ingeniør Leon Chua en fjerde komponent, han kaldte memristoren, for hukommelsesmodstand. I 2008 udviklede forskere ved Hewlett-Packard den første praktiske memristor ved hjælp af titaniumdioxid.

Det var spændende, fordi memristorer i teorien kan bruges til både hukommelse og logik. Enhederne husker den sidst påførte spænding, så de holder på information, selvom de er slukket. De adskiller sig også fra almindelige modstande ved, at deres modstand kan ændre sig afhængigt af mængden af ​​påført spænding. Sådan modulering kan bruges til at udføre logiske operationer. Hvis de udføres i en computers hukommelse, kan disse operationer skære ned på, hvor meget data der skal flyttes mellem hukommelse og processor.

Memristors fik deres kommercielle debut som ikke-flygtigt lager, kaldet RRAM eller ReRAM, til resistiv random access memory. Men feltet bevæger sig stadig fremad. I 2019 udviklede forskere en 5.832 memristor-chip, der kan bruges til kunstig intelligens.

Kulstof nanorør

Kulstof er ikke en ideel halvleder. Men under de rigtige forhold kan det laves til at danne nanorør, der er fremragende. Carbon nanorør blev først lavet til transistorer i begyndelsen af ​​2000'erne, og undersøgelser viste, at de kunne være 10 gange mere energieffektiv end silicium.

Faktisk af de fem alternative transistorer, der diskuteres her, kan kulstofnanorør være længst væk. I 2013 , byggede Stanford-forskere verdens første funktionelle computer drevet udelukkende af kulstof nanorør transistorer , omend en simpel en.

Men kulstof nanorør har en tendens til at rulle til små kugler og klumpe sammen som spaghetti. Hvad mere er, de fleste konventionelle syntesemetoder laver halvledende og metalliske nanorør i en rodet blanding. Materialeforskere og ingeniører har undersøgt måder at korrigere og omgå disse ufuldkommenheder på. I 2019 brugte MIT-forskere forbedrede teknikker til at lav en 16-bit mikroprocessor med mere end 14.000 carbon nanorør transistorer . Det er stadig langt fra en siliciumchip med millioner eller milliarder af transistorer, men det er ikke desto mindre fremskridt.

DNA computing

I 1994 lavede Leonard Adleman, en datalog ved University of Southern California i Los Angeles, en computer ud af en suppe af DNA. Han viste, at DNA kunne samle sig selv i et reagensglas for at udforske alle mulige veje i det berømte rejsende sælgerproblem. Eksperter forudsagde, at DNA-databehandling ville slå silicium-baseret teknologi, især med massivt parallel computing. Senere konkluderede forskere, at DNA-databehandling ikke er hurtig nok til at gøre det.

Men DNA har nogle fordele. Forskere har vist, at det er muligt at kode poesi , GIF'er og digitale film ind i molekylerne. Den potentielle tæthed er svimlende. Al verdens digitale data kan opbevares i et kaffekrus fuld af DNA, biologiske ingeniører ved MIT anslået i et papir tidligere i år. Fangsten er omkostninger: En medforfatter sagde senere, at DNA-syntese skulle være seks størrelsesordener billigere for at konkurrere med magnetbånd.

Medmindre forskerne kan reducere omkostningerne til DNA-lagring, vil livets ting blive siddende fast i cellerne.

Molekylær elektronik

Det er en overbevisende vision: Transistorer bliver ved med at blive mindre og mindre, så hvorfor ikke springe videre og lave dem ud af individuelle molekyler ? Nanometerskalaafbrydere ville give en yderst omkostningseffektiv, tætpakket chip. Chipsene kunne måske endda samle sig selv takket være interaktioner mellem molekyler .

Grupper hos Hewlett-Packard og andre steder i begyndelsen af ​​2000'erne løb for at få kemien og elektronikken til at fungere sammen.

Men efter årtiers arbejde er drømmen om molekylær elektronik stadig netop det. Forskere har fundet ud af, at enkelte molekyler kan være kræsne og fungerer som transistorer under meget snævre forhold. Ingen har vist, hvordan enheder med enkelt molekyle pålideligt kan integreres i massivt parallel mikroelektronik, siger Richard McCreery, kemiker ved University of Alberta.

Drømmen om molekylær elektronik er ikke helt død, men i disse dage er den stort set henvist til kemi- og fysiklaboratorierne, hvor forskerne fortsætter kæmper for at lave uendelige ustadige molekyler opføre sig.

Hvad kommer dernæst?

Silicium regerer stadig, men tiden er ved at løbe ud for alles foretrukne halvleder. Det seneste International køreplan for enheder og systemer (IRDS) antyder, at transistorer forventes at stoppe med at krympe efter 2028, og at integrerede kredsløb skal stables i tre dimensioner for fortsat at gøre hurtigere og mere effektive chips mulige.

Dette kan være tidspunktet, hvor andre computerenheder finder en åbning, men kun i forbindelse med siliciumteknologi. Forskere udforsker hybride tilgange til fremstilling af chips. I 2017 integrerede forskere, der havde gjort fremskridt med kulstof-nanorørtransistorer, dem med lag af ikke-flygtige memristorer og siliciumenheder - en prototype for en tilgang til at forbedre hastigheden og energiforbruget i databehandling ved at bevæge sig væk fra traditionel arkitektur.

Klassiske siliciumbaserede chips vil stadig gøre fremskridt, siger AMDs Malaya. Men, tilføjer han, jeg tror, ​​at fremtiden vil være heterogen, hvor alle teknologierne sandsynligvis bruges på en komplementær måde til traditionel databehandling.

Fremtiden vil med andre ord stadig være silicium. Men det bliver også andre ting.

Lakshmi Chandrasekaran er en freelance videnskabsforfatter baseret i Chicago .

skjule