Hva skjedde med DNA-databehandling?

Da den første transistoren ble opprettet, i 1947, kunne få ha forestilt seg den eventuelle virkningen av denne enheten - bryteren som ligger i hjertet av logiske brikker.

Vi har silisium å takke for databehandlingens store overtakelse. Tilsett en liten klype urenheter til elementet, og silisium danner et materiale nesten ideelt for transistorer i databrikker.

Denne historien var en del av november 2021-utgaven vår

• Se resten av saken
• Abonnere

I mer enn fem tiår har ingeniører krympet silisiumbaserte transistorer om og om igjen, og skapt gradvis mindre, raskere og mer energieffektive datamaskiner i prosessen. Men den lange teknologiske seiersrekka – og miniatyriseringen som har muliggjort det – kan ikke vare evig. Det er behov for teknologi for å slå silisium, fordi vi når enorme begrensninger på det, sier Nicholas Malaya, en beregningsforsker ved AMD i California.

Hva kan denne etterfølgerteknologien være? Det har ikke vært mangel på alternative datatilnærminger foreslått de siste 50 årene. Her er fem av de mer minneverdige. Alle hadde mye hype, bare for å bli avbrutt av silisium. Men kanskje det er håp for dem ennå.

Spintronikk

Databrikker er bygget rundt strategier for å kontrollere strømmen av elektroner - mer spesifikt ladningen deres. I tillegg til ladning har imidlertid elektroner også vinkelmomentum, eller spinn, som kan manipuleres med magnetiske felt. Spintronics dukket opp på 1980-tallet, med ideen om at spinn kan brukes til å representere biter : én retning kan representere en og den andre 0 .

I teorien kan spintroniske transistorer gjøres små, noe som gir mulighet for tettpakkede sjetonger. Men i praksis har det vært vanskelig å finne de riktige stoffene for å konstruere dem. Forskere sier at mye grunnleggende materialvitenskap fortsatt må utarbeides.

Likevel har spintroniske teknologier blitt kommersialisert på noen få svært spesifikke områder, sier Gregory Fuchs, en anvendt fysiker ved Cornell University i Ithaca, New York. Så langt har den største suksessen for spintronics vært ikke-flyktig minne, den typen som forhindrer tap av data i tilfelle strømbrudd. STT-RAM (for spin transfer torque random access memory) har vært i produksjon siden 2012 og kan finnes i skylagringsanlegg.

Memristors

Klassisk elektronikk er basert på tre komponenter: kondensator, motstand og induktor. I 1971 teoretiserte elektroingeniøren Leon Chua en fjerde komponent han kalte memristoren, for minnemotstand. I 2008 utviklet forskere ved Hewlett-Packard den første praktiske memristoren ved bruk av titandioksid.

Det var spennende fordi memristorer i teorien kan brukes til både hukommelse og logikk. Enhetene husker den siste påførte spenningen, så de holder på informasjon selv om de er slått av. De skiller seg også fra vanlige motstander ved at motstanden deres kan endres avhengig av mengden spenning som påføres. Slik modulering kan brukes til å utføre logiske operasjoner. Hvis de gjøres i datamaskinens minne, kan disse operasjonene kutte ned på hvor mye data som må flyttes mellom minne og prosessor.

Memristors gjorde sin kommersielle debut som ikke-flyktig lagring, kalt RRAM eller ReRAM, for resistivt tilfeldig tilgangsminne. Men feltet går fortsatt fremover. I 2019 utviklet forskere en 5.832-membranbrikke som kan brukes til kunstig intelligens.

Karbon nanorør

Karbon er ikke en ideell halvleder. Men under de rette forholdene kan det lages nanorør som er utmerkede. Karbon nanorør ble først laget til transistorer på begynnelsen av 2000-tallet, og studier viste at de kunne være 10 ganger mer energieffektiv enn silisium.

Faktisk, av de fem alternative transistorene som er diskutert her, kan karbon nanorør være lengst på vei. I 2013 , bygde Stanford-forskere verdens første funksjonelle datamaskin drevet utelukkende av karbon nanorørtransistorer , om enn enkel.

Men nanorør i karbon har en tendens til å rulle til små kuler og klumpe seg sammen som spaghetti. Dessuten lager de fleste konvensjonelle syntesemetoder halvledende og metalliske nanorør i en rotete blanding. Materialforskere og ingeniører har forsket på måter å korrigere og omgå disse ufullkommenhetene. I 2019 brukte MIT-forskere forbedrede teknikker for å lage en 16-bits mikroprosessor med mer enn 14 000 karbon nanorør transistorer . Det er fortsatt langt fra en silisiumbrikke med millioner eller milliarder av transistorer, men det er en fremgang likevel.

DNA databehandling

I 1994 laget Leonard Adleman, en informatiker ved University of South California i Los Angeles, en datamaskin av en suppe av DNA. Han viste at DNA kunne montere seg selv i et reagensrør for å utforske alle mulige veier i det berømte omreisende selgerproblemet. Eksperter spådde DNA-databehandling ville slå silisiumbasert teknologi, spesielt med massivt parallell databehandling. Senere konkluderte forskere med at DNA-databehandling ikke er rask nok til å gjøre det.

Men DNA har noen fordeler. Forskere har vist at det er mulig å kode poesi , GIF-er og digitale filmer inn i molekylene. Den potensielle tettheten er svimlende. All verdens digitale data kan lagres i en kaffekrus full av DNA, biologiske ingeniører ved MIT anslått i en artikkel tidligere i år. Fangsten er kostnad: en medforfatter sa senere at DNA-syntese måtte være seks størrelsesordener billigere for å konkurrere med magnetbånd.

Med mindre forskere kan kutte kostnadene ved DNA-lagring, vil livets ting bli sittende fast i cellene.

Molekylær elektronikk

Det er en overbevisende visjon: transistorer blir stadig mindre og mindre, så hvorfor ikke hoppe videre og lage dem ut av individuelle molekyler ? Nanometerskalabrytere ville gi en ekstremt kostnadseffektiv, tettpakket brikke. Brikkene kan til og med montere seg selv takket være interaksjoner mellom molekyler .

Grupper på Hewlett-Packard og andre steder på begynnelsen av 2000-tallet raste for å få kjemien og elektronikken til å fungere sammen.

Men etter flere tiår med arbeid er drømmen om molekylær elektronikk fortsatt akkurat det. Forskere har funnet ut at enkeltmolekyler kan være kresne og fungerer som transistorer under svært trange forhold. Ingen har vist hvordan enheter med enkelt molekyl kan integreres pålitelig i massivt parallell mikroelektronikk, sier Richard McCreery, en kjemiker ved University of Alberta.

Drømmen om molekylær elektronikk har ikke helt dødd, men i disse dager er den stort sett henvist til kjemi- og fysikklaboratoriene, hvor forskere fortsetter sliter med å lage uendelige ustadige molekyler oppfør deg.

Hva kommer så?

Silisium regjerer fortsatt, men tiden renner ut for alles favoritthalvleder. Det siste Internasjonalt veikart for enheter og systemer (IRDS) antyder at transistorer forventes å slutte å krympe etter 2028, og at integrerte kretser må stables i tre dimensjoner for å fortsette å gjøre raskere og mer effektive brikker mulig.

Dette kan være tiden da andre dataenheter finner en åpning, men bare i forbindelse med silisiumteknologi. Forskere utforsker hybride tilnærminger til å lage chips. I 2017 integrerte forskere som hadde gjort fremskritt med karbon-nanorørtransistorer dem med lag av ikke-flyktige memristorer og silisiumenheter – en prototype for en tilnærming til å forbedre hastighet og energiforbruk i databehandling ved å gå bort fra tradisjonell arkitektur.

Klassiske silisiumbaserte brikker vil fortsatt gjøre noen fremskritt, sier AMDs Malaya. Men, legger han til, jeg tror fremtiden vil være heterogen, der alle teknologiene sannsynligvis brukes på en komplementær måte til tradisjonell databehandling.

Fremtiden vil med andre ord fortsatt være silisium. Men det blir andre ting også.

Lakshmi Chandrasekaran er en frilans vitenskapsskribent med base i Chicago .

gjemme seg