Databehandling etter silisium

For fire år siden gjorde UCLA-kjemiprofessor R. Stanley Williams og datagiganten Hewlett-Packard (HP) endringer midt i karrieren samtidig. Selskapet hadde vokst til en av verdens ledende datamaskin- og mikroprosessorprodusenter, men det hadde fortsatt ikke en grunnleggende forskningsgruppe. Williams hadde tilbrakt de foregående femten årene i akademia og fryktet at han var i ferd med å miste kontakten med realitetene i virksomheten (tidligere i karrieren hadde han jobbet i flere år ved Bell Laboratories.) Løsningen: et grunnleggende forskningslaboratorium ved HP i regi av Williams.

Som leder av laboratoriet er Williams største bekymring fremtiden for databehandling. Den progressive miniatyriseringen av silisiumbaserte integrerte kretser har ført til mindre, billigere og kraftigere maskiner. State-of-the-art brikker har nå funksjoner så små som flere hundre nanometer på tvers (en nanometer er en milliarddels meter). Det er lite. Men ifølge Williams' beregninger vil muligheten til å fortsette å krympe silisiumbaserte enheter sannsynligvis stoppe opp et sted rundt 2010. Slike spådommer er neppe sjokkerende - andre Silicon Valley-eksperter har kommet til lignende konklusjoner. Det som er overraskende er at Williams tror han og hans samarbeidspartnere ved HP og UCLA har funnet en løsning: en levedyktig arving til silisium.

Hvis Williams har rett, vil databehandling en dag stole på komponenter i nanometerskala som er billig og enkelt å sette sammen ved hjelp av enkel kjemi. I stedet for dagens teknikk med nøyaktig skjæring av funksjoner på silisiumbrikker for å skape komplekse og nesten perfekte mønstre, vil teknikere dyppe underlag i kar med kjemikalier. Og hvis blandingen er riktig, vil ledninger og brytere kjemisk sette seg sammen fra disse materialene. Det ville muliggjøre små, rimelige og uhyre kraftige datamaskiner. Dette er en fascinerende visjon. Men tross alt er Silicon Valley (og den populære pressen) fulle av fascinerende visjoner om fremtidens databehandling. Det som gjør blandingene Williams lager hos HP mer overbevisende, er at de ikke bare er ideer. I fjor publiserte Williams og hans medarbeidere en rapport i Science som beskrev en datamaskinarkitektur som kunne gjøre kjemisk sammensatte kretser gjennomførbare; og i juli publiserte gruppen en andre vitenskapsartikkel, denne gangen som beskrev syntesen av en første potensiell komponent av deres datamaskinmolekylære elektroniske brytere. Resultatene skapte overskrifter i aviser rundt om i landet.

I ukene før medievanviddet, BARN Seniorredaktør David Rotman chattet med Williams om databehandling etter silisium, grunnleggende forskning i høyteknologiske selskaper og hans egen personlige overgang fra universitetet til privat sektor.

TR: Du kom til HP i 1995 for å etablere et grunnleggende forskningslaboratorium etter å ha vært professor ved UCLA. Hva var oppdraget ditt?
WILLIAMS: Hewlett-Packard hadde egentlig aldri en grunnleggende forskningsgruppe. Tidligere hadde det vært diskusjoner innen HP der folk sa at vi virkelig burde gjøre mer grunnleggende forskning, vi burde virkelig på en eller annen måte returnere kunnskap til den slags filosofiske diskusjoner. Og det var alltid noen få mennesker som gjorde noe grunnleggende arbeid. Men HP skjønte at det måtte opprette en egen gruppe som var mer isolert fra de daglige kravene til produktforskning for å ha en vedvarende innsats. Jeg ble kontaktet og spurt om jeg kunne være interessert i å prøve å starte opp en grunnforskningsgruppe. Jeg trodde bestemt, og faktisk tror jeg enda sterkere nå, at grunnleggende forskning har reell verdi for et selskap.

TR: Hvordan viser du den verdien?
WILLIAMS: Det er flere måter. Den ene er å gi en visjon for hvordan elektronikk og databehandling kommer til å se ut i en 10-års tidsramme. Vi fungerer også som en teknologiradar. Vi hører ofte om utviklingen foran menneskene i skyttergravene, og vi kan varsle dem om at det er interessante muligheter eller kanskje trusler som kommer. Dessuten jobber vi med så grunnleggende problemer at hvis vi lykkes, vil utbetalingen for selskapet bli enorm. Og de vet det. Hver intelligent investeringsportefølje har noen få lange skudd.

TR: Har ting fungert som du forventet siden du startet opp laboratoriet?
WILLIAMS: Da jeg kom til HP, hadde jeg veldig uklare ideer om fremtidens elektronikk. Nå har vi et veikart. Det har vært fantastisk. Det er et par ting som ikke har fungert som jeg forventet. Jeg hadde håpet å få til flere felles forskningsprosjekter med de mer anvendte laboratoriene. Selv om forskerne selv er interessert i å samarbeide med oss ​​og deres ledere oppfordrer dem til å gjøre det, kan ikke disse samarbeidene opprettholdes når folk har tidsfrister å overholde. Et annet problem er at vi har vært i konkurranse om finansiering med mange økonomisk viktige prosjekter, og derfor har ikke grunnforskningen vokst så raskt som jeg så for meg da jeg ble ansatt. Vi begynner bare å vokse litt.

TR: Hvor godt gjør den høyteknologiske industrien det til å utføre grunnforskning? Er det å oppnå den rette balansen mellom å sørge for grunnleggende vitenskap og samtidig passe på bunnlinjen?
WILLIAMS: Generelt sett nei. I dagens hardt konkurranseutsatte miljø kan ethvert høyteknologisk selskap gå konkurs innen tre år - eller betydelig mindre med introduksjonen av Internett-tid. Det er veldig vanskelig å ta hensyn til langsiktigheten, som for styret i enkelte selskaper er kvartalet etter neste. Selv i bedriftens forskningslaboratorier har presset for å bli bedre på linje med produktdivisjoner, forkorte forsknings- og utviklingssykluser og bekjempe daglige branner kollapset synet til de fleste ledere og forskere til bare noen få år.

TR: Hva betyr det for dataindustrien?
WILLIAMS: Jeg tror at det å ha en sterk grunnforskningskomponent i et bedriftslaboratorium blir en strategisk fordel. Dette er spesielt tilfellet for de høyteknologiske selskapene som er avhengige av fremskritt innen elektronikk. Det vil være en enorm økonomisk belønning for selskapene og landene som lykkes med å utnytte nanometerskalastrukturer og kvantefenomener for beregnings-, kommunikasjons- og måleapplikasjoner. Disse er alle fortsatt på nivå med grunnforskning, men de vil være grunnlaget for teknologi lenge før jeg er klar til å pensjonere meg. Bedrifter som ikke henger med i utviklingen vil ikke klare å ta igjen senere. Fortune 100 vil se mye annerledes ut om ti år enn det gjør nå, og en betydelig differensiator vil være investeringer i grunnforskning.

TR: La oss snakke om fremtiden til databehandling mer spesifikt. Du refererer ofte til grensene for silisiumbasert databehandling. Hva er disse grensene?
WILLIAMS: Det er to svært forskjellige problemer som halvlederindustrien står overfor i løpet av det neste tiåret. Den ene er økonomisk. Kostnadene ved å bygge fabrikker for å fremstille hver ny generasjon silisiumbrikker har økt med en faktor på omtrent to hvert tredje år. Et fabrikasjonsanlegg på 10 milliarder dollar, eller fab, er ikke langt unna. Innen 2010 vil en fabrikk sannsynligvis koste 30 milliarder dollar. Det andre problemet, som er en av hovedårsakene til den første, er at silisiumbaserte transistorer begynner å oppleve noen grunnleggende fysikk- og materialbegrensninger etter hvert som de blir mindre og mindre. For eksempel går antallet elektroner som brukes til å slå en felteffekttransistor - bærebjelken i dagens datamaskiner på og av - ned i hundrevis, og etter hvert som det blir mye lavere vil det oppstå alvorlige problemer med statistiske svingninger som kan virke tilfeldig slå den av og på. Det er også problemer knyttet til fysikken til tradisjonell litografi [bruken av lys for å etse mønstre på silisiumbrikker], for eksempel hvordan du nøyaktig plasserer wafere med en presisjon på noen få nanometer. Hvert av disse problemene har en teknologisk løsning som kan presse ut en eller to generasjoner til med svinn, men det faktum at så mange problemer nå må løses samtidig er nesten overveldende.

TR: Vil silisiumbasert teknologi plutselig treffe en vegg?
WILLIAMS: Fra et fysikkstandpunkt er det ingen grunner til at industrien ikke kan komme ned til enheter så små som 50 nanometer. Men problemet er at det å komme seg dit blir mer og mer utfordrende og dyrere og dyrere. I stedet for å prøve å spille spillet, vil mange selskaper ta en økonomisk beslutning om at de ikke kommer til å lage toppmoderne sjetonger. Jeg har forkynt dette en stund, og til og med jeg er overrasket over hvor raskt dette skjer. National Semiconductor - her er et selskap med halvleder rett i navnet - kommer ikke til å lage neste generasjons mikroprosessorer lenger. Faktisk kunngjorde Hewlett-Packard nylig at de vil ha sine avanserte prosessorer bygget i et støperi (støperier er fabrikker som produserer enheter på kontraktsbasis). Til slutt vil det være en eller to fabrikker i verden som bygger utstyr på toppmoderne, og disse fabrikkene vil sannsynligvis i stor grad bli finansiert av regjeringer. Noe som betyr at det sannsynligvis ikke vil skje i USA.

TR: Og med denne hastigheten, hvor lang tid vil det ta?
WILLIAMS: Min gjetning er at det vil være før 2012. Det er en stor omgang kylling. Hvem er villig til å bruke pengene på en ny fab?

TR: Hvordan vil de raskt økende produksjonskostnadene, og den påfølgende effekten av at selskaper slutter med produksjon, påvirke mikroelektronikken?
WILLIAMS: Prisene for varene vi kjøper i dag vil ikke gå vesentlig opp, men vi vil ikke se de dramatiske forbedringene i ytelse og kostnadsreduksjoner for silisiumbaserte enheter som vi har sett tidligere. Og det faktum at så mange store selskaper går ut av silisiumprosessforskning vil definitivt skade innovasjon innen mikroelektronikk en stund. Dette vil imidlertid også åpne døren for mange småskala gründere og oppfinnere som ønsker å lage helt nye elektroniske enheter og fabrikasjonsprosesser. Jeg tror det neste tiåret vil gi en av de største eksplosjonene av kreativitet vi har sett siden oppfinnelsen av transistoren.

TR: Du har spådd at med den nåværende krympingshastigheten vil silisiumbaserte enheter begynne å nå grunnleggende grenser rundt 2010. Når det gjelder å finne og utvikle nye teknologier for å erstatte silisium, er det egentlig ikke så langt frem i tid, er det?
WILLIAMS: Det er skremmende nært. Det er ennå ikke en sikker arving til silisiumteknologi. For å ha en ny teknologi klar innen den tid, må vi jobbe hardt akkurat nå. Hos HP har vi det vi mener er en ganske god kandidat, men jeg tror at teknologien og fremtidens økonomi i dette landet ville vært mye bedre hvis det var mer enn én arving, hvis det var flere grupper med unike ideer som konkurrerer. Det er noen gode ideer der ute, men ikke nok.

TR: Jeg er overrasket over at det ikke er flere, gitt hva som står på spill.
WILLIAMS: Mye av forskningen er på nivå med diskrete enheter. Men det pågår veldig lite arbeid i arkitektonisk skala. I stedet for å se på diskrete grunnleggende enheter, ser vi på funksjonen til en hel krets.

TR: I stedet for å prøve å lage ting på en nanometerskala, og deretter bekymre deg for hvordan du kanskje kan bruke dem, har du allerede i tankene...
WILLIAMS: En potensiell overordnet struktur. De fleste som jobber i dette området prøver egentlig å finne ut hvordan man lager en molekylær analog av en eksisterende elektronisk enhet; så håper de at de vil finne ut hvordan de skal koble alle disse tingene for å lage en krets eller et system. Folk jobber i hovedsak hardt for å lage en enkelt kloss og håper at når de først har laget den, kan de finne ut hvordan de kan bygge noe ut av den. På den annen side har vi den arkitektoniske tegningen av hele bygningen, og vi leter etter de beste materialene for å konstruere den bygningen.

TR: Ambisjonen din er å bruke denne planen til å bygge en helt ny type datamaskin, en som er produsert ved hjelp av kjemi i stedet for litografi, er det ikke?
WILLIAMS: Vårt mål er å produsere kretsløp i enkle kjemiske avtrekksskap ved bruk av begre og normale kjemiske prosedyrer. I stedet for å lage utrolig komplekse og perfekte enheter som krever svært dyre fabrikker, ville vi lage enheter som faktisk er veldig enkle og utsatt for produksjonsfeil. De ville være usedvanlig rimelige å lage, og det meste av den økonomiske verdien ville komme i programmeringen deres.

TR: Det virker litt motintuitivt at måten å gjøre mikroelektronikk enda mindre og kraftigere på er å la dem være defekte.
WILLIAMS: For et år siden publiserte vi en artikkel i Science der vi snakker om hva som skal til for å lage en datamaskin ved hjelp av kjemisk sammensetning. Svaret var at du må ha en dataarkitektur som gjør at systemene kan ha mange produksjonsfeil, mange feil. Vi kaller det arkitekturen defekttolerant. Vi diskuterte et eksempel på en datamaskin som er bygget her på Hewlett-Packard kalt Teramac. Dette er vår datamaskinarketype; vi tror at ting som er basert på objekter i molekylskala eller nanometerskala i fremtiden vil måtte ha som en del av deres organiseringsprinsipper disse defekttolerante designene fordi det kommer til å være umulig å lage slike små ting perfekt.

TR: Fortell oss litt om opprinnelsen til interessen din for Teramac.
WILLIAMS: James Heath, en kjemiprofessor ved UCLA, og jeg brukte minst et og et halvt år på å studere det før vi var klare til å bygge noe. Vi hadde en serie diskusjoner med en dataarkitekt hos HP, Philip Kuekes, om defekttoleranse, og Phil begynte å snakke med oss ​​om denne datamaskinen han hadde vært med på å bygge. De hadde bestemt seg for å bygge den fra ufullkomne eller defekte silisiumkomponenter, fordi de ville være mye billigere, og bare håndtere de problemene som dukket opp ved å bruke smart programvare.

TR: Med andre ord betaler du for et materiales perfeksjon.
WILLIAMS: Absolutt. Perfeksjon koster mye penger. Og etter hvert som du blir mer og mer kompleks, blir kostnadene for perfeksjon høyere og høyere. Det er hovedårsaken til at kostnadene for fabrikker øker eksponentielt. Det vi sier er at hvis vi kan lage ting som er ufullkomne, men fortsatt fungerer perfekt, kan vi bygge dem mye billigere.

TR: Hvordan får du noe som er ufullkomment til å fungere perfekt?
WILLIAMS: Teramac har en arkitektur som er avhengig av veldig vanlige strukturer kalt tverrstenger, som lar deg koble til hvilken som helst inngang med hvilken som helst utgang. Hvis en bestemt bryter eller ledning i systemet er defekt, kan du rute rundt den. Du kan unngå problemene. Det viste seg at Teramac hadde en kjempebonus. Ikke bare er den i stand til å kompensere for produksjonsfeil, men Teramac kunne også programmeres veldig raskt og den utførte disse programmene med blendende hastighet fordi den hadde denne enorme kommunikasjonsbåndbredden.

TR: Som konstruert bruker Teramac silisiumbrikker, om enn defekte. Men din interesse er å bruke denne arkitekturen til å bygge en datamaskin ved hjelp av kjemiske prosesser. Hvorfor er det så lovende for den søknaden?
WILLIAMS: Teramac ble bygget som et verktøy for å demonstrere nytten av defekttoleranse for å bygge komplekse systemer billigere. Selv om det var en suksess, er en stasjonær Teramac ennå ikke økonomisk levedyktig. Det kan være at Teramac-lignende arkitekturer vil bidra til å utvide silisium integrerte kretser en generasjon eller så ved å gjøre fabrikker billigere å bygge, men vi ser det enorme potensialet for denne arkitekturen i kjemisk produksjon av integrerte kretser. Å montere enheter og bestille dem med kjemiske midler vil være en iboende feilutsatt prosess. Imidlertid har vi nå bevis på at et svært defekt system kan fungere perfekt.

TR: Denne faktiske arkitekturen kan gi en faktisk måte å gjøre databehandling på?
WILLIAMS: Det er virkelig. Maskinvaren ble bygget, testet og programmert. Konseptene er veldig godt forstått og veldig robuste. Nå er den andre fasen av alt dette å se om vi kan bruke ideene som kommer ut av grunnleggende forskning innen nanoteknologi - ideene om selvmontering, å konstruere små vanlige enheter ved hjelp av kjemiske prosedyrer - til å faktisk lage noe som ville være nyttig. Vår Science-artikkel i juli er, tror vi, det første store skrittet i den retningen ved at vi demonstrerer at molekylær elektronisk svitsjing er mulig.

TR: Hva blir det neste?
WILLIAMS: Innen to år håper vi å kjemisk sette sammen et operativt 16-bits minne som får plass i en kvadrat på 100 nanometer på en side. I dag er en bit i et silisiumminne mye større enn en kvadratmikrometer. Så vi ser etter en skalering på minst tre størrelsesordener i minnetetthet. Vårt langsiktige mål, ærlig talt, er å bygge en hel datamaskin ved hjelp av ikke annet enn kjemiske prosesser. Det spesielle målet er 10 år fra nå hvis alt går bra, og selv da vil vi lage ganske enkle kretser. Men det må begynne et sted.

gjemme seg