Co się stało z obliczeniami DNA?

Kiedy w 1947 roku powstał pierwszy tranzystor, mało kto mógł sobie wyobrazić ostateczny wpływ tego urządzenia — przełącznika, który leży w sercu układów logicznych.

Mamy krzem, któremu możemy podziękować za wielkie przejęcie komputerów. Dodaj szczyptę zanieczyszczeń do elementu, a krzem utworzy materiał niemal idealny do tranzystorów w chipach komputerowych.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2021 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Przez ponad pięć dekad inżynierowie nieustannie zmniejszali tranzystory na bazie krzemu, tworząc przy tym coraz mniejsze, szybsze i bardziej energooszczędne komputery. Ale długa passa technologiczna – i miniaturyzacja, która to umożliwiła – nie może trwać wiecznie. Potrzebna jest technologia, która pokonałaby krzem, ponieważ osiągamy w tym zakresie ogromne ograniczenia, mówi Nicholas Malaya, naukowiec zajmujący się obliczeniami w AMD w Kalifornii.

Czym może być ta następca technologii? W ciągu ostatnich 50 lat nie brakowało alternatywnych metod obliczeniowych. Oto pięć najbardziej zapadających w pamięć. Wszyscy mieli mnóstwo szumu, tylko po to, by zostać pokonanym przez krzem. Ale może jest jeszcze dla nich nadzieja.

Spintronika

Chipy komputerowe zbudowane są wokół strategii kontrolowania przepływu elektronów, a dokładniej ich ładunku. Jednak oprócz ładunku elektrony mają również moment pędu lub spin, którymi można manipulować za pomocą pól magnetycznych. Spintronika pojawiła się w latach 80. z myślą, że: spin może być używany do reprezentowania bitów : jeden kierunek może reprezentować jeden i inni 0 .

Teoretycznie tranzystory spintroniczne mogą być małe, co pozwala na gęsto upakowane chipy. Ale w praktyce trudno było znaleźć odpowiednie substancje do ich budowy. Naukowcy twierdzą, że wiele podstawowych materiałoznawstwa wymaga jeszcze dopracowania.

Niemniej jednak technologie spintroniczne zostały skomercjalizowane w kilku bardzo specyficznych obszarach, mówi Gregory Fuchs, fizyk stosowany z Cornell University w Ithaca w stanie Nowy Jork. Jak dotąd największym sukcesem spintroniki była pamięć nieulotna, czyli taka, która zapobiega utracie danych w przypadku awarii zasilania. Pamięć STT-RAM (dla pamięci o dostępie swobodnym z momentem obrotowym obrotowym) jest produkowana od 2012 roku i można ją znaleźć w magazynach w chmurze.

Memrystorów

Klasyczna elektronika oparta jest na trzech elementach: kondensatorze, rezystorze i induktorze. W 1971 inżynier elektryk Leon Chua opracował teorię czwartego komponentu, który nazwał memrystorem, dla rezystora pamięci. W 2008 roku naukowcy z Hewlett-Packard opracowali pierwszy praktyczny memrystor , wykorzystujący dwutlenek tytanu.

To było ekscytujące, ponieważ memrystorów teoretycznie można używać zarówno do pamięci, jak i logiki. Urządzenia zapamiętują ostatnio przyłożone napięcie, więc przechowują informacje nawet po wyłączeniu. Różnią się również od zwykłych rezystorów tym, że ich rezystancja może się zmieniać w zależności od przyłożonego napięcia. Taka modulacja może być wykorzystana do wykonywania operacji logicznych. Jeśli są wykonywane w pamięci komputera, te operacje mogą zmniejszyć ilość danych, które muszą być przesyłane między pamięcią a procesorem.

Memristory zadebiutowały na rynku jako nieulotna pamięć masowa, zwana RRAM lub ReRAM, dla rezystancyjnej pamięci o dostępie swobodnym. Ale pole wciąż posuwa się do przodu. W 2019 roku naukowcy opracowali chip z 5832 memrystorami, który może być wykorzystywany do sztucznej inteligencji.

Nanorurki węglowe

Węgiel nie jest idealnym półprzewodnikiem. Ale w odpowiednich warunkach można z niego wytworzyć doskonałe nanorurki. Nanorurki węglowe zostały po raz pierwszy przekształcone w tranzystory na początku XXI wieku, a badania wykazały, że mogą być: 10 razy bardziej energooszczędny niż krzem.

W rzeczywistości spośród pięciu omawianych tutaj alternatywnych tranzystorów nanorurki węglowe mogą być najdalej wysunięte. w 2013 , naukowcy ze Stanford zbudowali pierwszy na świecie funkcjonalny komputer zasilany w całości przez tranzystory z nanorurek węglowych , choć prosty.

Ale nanorurki węglowe mają tendencję do zwijania się w małe kulki i zlepiania się jak spaghetti. Co więcej, większość konwencjonalnych metod syntezy sprawia, że ​​nanorurki półprzewodnikowe i metaliczne tworzą niechlujną mieszankę. Naukowcy i inżynierowie zajmujący się materiałami badali sposoby korygowania i obchodzenia tych niedoskonałości. W 2019 roku naukowcy z MIT wykorzystali ulepszone techniki, aby: stworzyć 16-bitowy mikroprocesor z ponad 14 000 węglowych tranzystorów z nanorurek . To wciąż daleko od chipa krzemowego z milionami lub miliardami tranzystorów, ale mimo to jest to postęp.

Obliczanie DNA

W 1994 r. Leonard Adleman, informatyk z Uniwersytetu Południowej Kalifornii w Los Angeles, z zupy DNA zrobił komputer. Pokazał, że DNA może samo-składać się w probówce, aby zbadać wszystkie możliwe ścieżki w słynnym problemie komiwojażera. Eksperci przewidywali, że obliczenia DNA będą: pokonać technologia oparta na krzemie, szczególnie w przypadku obliczeń masowo równoległych. Później naukowcy doszli do wniosku, że obliczenia DNA nie są wystarczająco szybkie, aby to zrobić.

Ale DNA ma pewne zalety. Naukowcy wykazali, że można kodować poezja , GIF-y i filmy cyfrowe w cząsteczki. Gęstość potencjału jest oszałamiająca. Wszystkie cyfrowe dane świata można przechowywać w kubku do kawy pełnym DNA, inżynierowie biologiczni na MIT oszacowano w gazecie na początku tego roku. Połów jest kosztem: jeden ze współautorów powiedział później, że synteza DNA musiałaby być o sześć rzędów wielkości tańsza, aby konkurować z taśmą magnetyczną.

Dopóki naukowcy nie obniżą kosztów przechowywania DNA, materia życiowa utknie w komórkach.

Elektronika molekularna

To fascynująca wizja: tranzystory stają się coraz mniejsze, więc dlaczego nie skoczyć do przodu i zrobić? je z pojedynczych cząsteczek ? Przełączniki w skali nanometrycznej byłyby niezwykle opłacalnym, gęsto upakowanym chipem. Żetony mogą się nawet złożyć dzięki interakcje między cząsteczkami .

Grupy w Hewlett-Packard i innych miejscach na początku 2000 roku ścigały się, aby chemia i elektronika współpracowały ze sobą.

Ale po dziesięcioleciach pracy marzenie o elektronice molekularnej wciąż jest takie. Naukowcy odkryli, że pojedyncze molekuły mogą być trudne, ponieważ działają jak tranzystory tylko w bardzo wąskich warunkach. Nikt nie wykazał, w jaki sposób urządzenia jednocząsteczkowe można niezawodnie zintegrować z masowo równoległą mikroelektroniką, mówi Richard McCreery, chemik z University of Alberta.

Marzenie o elektronice molekularnej nie umarło całkowicie, ale obecnie jest w dużej mierze zepchnięte do laboratoriów chemicznych i fizycznych, gdzie naukowcy kontynuują walczy o tworzenie nieskończenie zmiennych cząsteczek zachowywać się.

Co jest następne?

Krzem wciąż króluje, ale na ulubiony półprzewodnik każdego dnia ucieka. Najnowszy Międzynarodowa mapa drogowa dla urządzeń i systemów (IRDS) sugeruje, że oczekuje się, że tranzystory przestaną się kurczyć po 2028 r., a układy scalone będą musiały być ułożone w stos w trzech wymiarach, aby nadal tworzyć szybsze i wydajniejsze chipy.

Może to być czas, w którym inne urządzenia komputerowe znajdą otwarcie, ale tylko w połączeniu z technologią krzemową. Naukowcy badają hybrydowe podejścia do wytwarzania chipów. W 2017 roku naukowcy, którzy poczynili postępy w dziedzinie tranzystorów z nanorurek węglowych, zintegrowali je z warstwami nieulotnych memrystorów i urządzeń krzemowych — prototypu podejścia do poprawy szybkości i zużycia energii w obliczeniach poprzez odejście od tradycyjnej architektury.

Klasyczne chipy oparte na krzemie nadal będą robić pewne postępy, mówi malaya AMD. Ale, dodaje, myślę, że przyszłość będzie niejednorodna, w której wszystkie technologie będą wykorzystywane prawdopodobnie w sposób komplementarny do tradycyjnego przetwarzania.

Innymi słowy, przyszłość nadal będzie krzemem. Ale będą to też inne rzeczy.

Lakshmi Chandrasekaran jest niezależną pisarką naukową mieszkającą w Chicago .

ukryć