Obliczanie po krzemie

Cztery lata temu profesor chemii z UCLA R. Stanley Williams i gigant komputerowy Hewlett-Packard (HP) dokonali w tym samym czasie zmian w połowie kariery. Firma urosła do rangi jednego z wiodących światowych producentów komputerów i mikroprocesorów, ale nadal nie miała podstawowej grupy badawczej. Williams spędził poprzednie piętnaście lat w środowisku akademickim i obawiał się, że traci kontakt z realiami biznesu (wcześniej w swojej karierze pracował przez kilka lat w Bell Laboratories). Rozwiązanie: podstawowe laboratorium badawcze w HP kierowane przez Williamsa.

Jako kierownik laboratorium, głównym zmartwieniem Williamsa jest przyszłość komputerów. Postępująca miniaturyzacja układów scalonych opartych na krzemie doprowadziła do powstania mniejszych, tańszych i mocniejszych maszyn. Najnowocześniejsze chipy mają teraz rozmiary zaledwie kilkuset nanometrów (nanometr to jedna miliardowa część metra). To małe. Jednak według obliczeń Williamsa zdolność do dalszego zmniejszania urządzeń opartych na krzemie prawdopodobnie zatrzyma się około 2010 roku. Takie przewidywania nie są szokujące – inni eksperci z Doliny Krzemowej doszli do podobnych wniosków. Zaskakujące jest to, że Williams wierzy, że on i jego współpracownicy z HP i UCLA znaleźli rozwiązanie: realnego spadkobiercę krzemu.

Jeśli Williams ma rację, pewnego dnia komputery będą polegać na komponentach w skali nanometrycznej, tanio i łatwo składanych przy użyciu prostej chemii. Zamiast dzisiejszej techniki precyzyjnego rzeźbienia elementów na chipach krzemowych w celu tworzenia złożonych i niemal idealnych wzorów, technicy zanurzają substraty w kadziach z chemikaliami. A jeśli mieszanka jest odpowiednia, przewody i przełączniki chemicznie połączą się z tych materiałów. Umożliwiłoby to powstanie małych, niedrogich i niezwykle wydajnych komputerów. To fascynująca wizja. Mimo wszystko Dolina Krzemowa (i popularna prasa) pełne są fascynujących wizji przyszłości informatyki. Tym, co sprawia, że ​​mikstury, które Williams przygotowuje w HP, są bardziej atrakcyjne, jest to, że nie są to tylko pomysły. W zeszłym roku Williams i jego współpracownicy opublikowali w Science raport opisujący architekturę komputerową, która może sprawić, że obwody złożone chemicznie staną się wykonalne; aw lipcu grupa opublikowała drugi artykuł w Science, tym razem opisujący syntezę pierwszego potencjalnego komponentu ich komputerowo-molekularnych przełączników elektronicznych. Wyniki trafiły na pierwsze strony gazet w całym kraju.

W tygodniach przed medialnym szaleństwem DZIECI Starszy redaktor David Rotman rozmawiał z Williamsem na temat komputerów po krzemie, podstawowych badań w korporacjach high-tech oraz własnego przejścia z uniwersytetu do sektora prywatnego.

TR: Przyszedłeś do HP w 1995 roku, by założyć podstawowe laboratorium badawcze po byciu profesorem na UCLA. Jaka była twoja misja?
WILLIAMS: Hewlett-Packard nigdy tak naprawdę nie miał podstawowej grupy badawczej. W przeszłości w HP odbywały się dyskusje, w których ludzie mówili, że naprawdę powinniśmy prowadzić bardziej podstawowe badania, naprawdę powinniśmy jakoś przywracać wiedzę do tego rodzaju dyskusji filozoficznych. I zawsze było kilka osób wykonujących jakąś podstawową pracę. Jednak HP zdał sobie sprawę, że musi stworzyć osobną grupę, która byłaby bardziej odizolowana od codziennych wymagań związanych z badaniem produktów, aby móc kontynuować wysiłek. Skontaktowano się ze mną i zapytano, czy byłbym zainteresowany próbą uruchomienia podstawowej grupy badawczej. Głęboko wierzyłem, a właściwie wierzę teraz jeszcze mocniej, że badania podstawowe mają prawdziwą wartość dla korporacji.

TR: Jak pokazujesz tę wartość?
WILLIAMSÓW: Jest kilka sposobów. Jednym z nich jest przedstawienie wizji tego, jak elektronika i informatyka będą wyglądać za 10 lat. Działamy również jako radar technologiczny. Często słyszymy o wydarzeniach przed ludźmi w okopach i możemy ich ostrzec, że nadchodzą interesujące możliwości, a może zagrożenia. Pracujemy też nad tak fundamentalnymi kwestiami, że jeśli nam się uda, zysk dla firmy będzie ogromny. I oni to wiedzą. Każdy inteligentny portfel inwestycyjny ma kilka perspektyw.

TR: Czy od uruchomienia laboratorium wszystko potoczyło się zgodnie z oczekiwaniami?
WILLIAMSÓW: Kiedy trafiłem do HP, miałem bardzo mgliste pomysły na elektronikę przyszłości. Teraz mamy mapę drogową. To było niesamowite. Jest kilka rzeczy, które nie zadziałały tak, jak się spodziewałem. Miałem nadzieję, że zrealizuję kilka wspólnych projektów badawczych z bardziej stosowanymi laboratoriami. Nawet jeśli sami badacze są zainteresowani współpracą z nami, a ich menedżerowie zachęcają ich do tego, gdy ludzie mają terminy do dotrzymania, ta współpraca nie może zostać utrzymana. Inną kwestią jest to, że rywalizowaliśmy o finansowanie przy wielu ważnych ekonomicznie projektach, a więc badania podstawowe nie rozwijały się tak szybko, jak przewidywano, gdy mnie zatrudniano. Dopiero zaczynamy trochę rosnąć.

TR: Jak dobrze przemysł zaawansowanych technologii radzi sobie w prowadzeniu badań podstawowych? Czy jest to osiągnięcie właściwej równowagi między zapewnianiem nauk podstawowych przy jednoczesnym dbaniu o wynik finansowy?
WILLIAMSÓW: Ogólnie nie. W dzisiejszym zaciekle konkurencyjnym środowisku każda firma high-tech może zbankrutować w ciągu trzech lat – lub znacznie krócej wraz z wprowadzeniem czasu internetowego. Bardzo trudno zwracać uwagę na długoterminową perspektywę, która dla zarządów niektórych spółek przypada kolejny kwartał. Nawet w korporacyjnych laboratoriach badawczych presja, by lepiej dostosować się do działów produktów, skrócić cykle badawczo-rozwojowe i zwalczać codzienne pożary, sprawiła, że ​​poglądy większości menedżerów i badaczy spadły do ​​zaledwie kilku lat.

TR: Co to oznacza dla branży komputerowej?
WILLIAMSÓW: Myślę, że posiadanie silnego komponentu badań podstawowych w korporacyjnym laboratorium staje się przewagą strategiczną. Dotyczy to zwłaszcza firm high-tech, które polegają na postępach w elektronice. Firmy i kraje, które z powodzeniem wykorzystają struktury nanometryczne i zjawiska kwantowe do zastosowań obliczeniowych, komunikacyjnych i pomiarowych, przyniosą ogromne korzyści ekonomiczne. To wszystko wciąż znajduje się na poziomie badań podstawowych, ale będą podstawą technologii na długo przed tym, zanim będę gotowy do przejścia na emeryturę. Firmy, które nie nadążają za rozwojem sytuacji, nie będą mogły później nadrobić zaległości. Fortune 100 za dziesięć lat będzie wyglądać zupełnie inaczej niż obecnie, a istotnym wyróżnikiem będą inwestycje w badania podstawowe.

TR: Porozmawiajmy dokładniej o przyszłości komputerów. Często odwołujesz się do ograniczeń przetwarzania opartego na krzemie. Jakie są te granice?
WILLIAMSÓW: W ciągu następnej dekady branża półprzewodników musi zmierzyć się z dwoma bardzo różnymi problemami. Jeden jest ekonomiczny. Koszt budowy fabryk produkujących każdą nową generację chipów krzemowych wzrastał średnio dwukrotnie co trzy lata. Zakład produkcyjny o wartości 10 miliardów dolarów, czyli fabryka, jest niedaleko. Do 2010 roku fabryka może kosztować 30 miliardów dolarów. Drugim problemem, który jest jednym z głównych powodów pierwszego, jest to, że tranzystory na bazie krzemu zaczynają doświadczać pewnych podstawowych ograniczeń fizycznych i materiałowych, gdy stają się coraz mniejsze. Na przykład liczba elektronów wykorzystywanych do włączania i wyłączania tranzystora polowego — głównego elementu współczesnych komputerów — spada do setek, a gdy ta liczba będzie znacznie mniejsza, pojawią się poważne problemy z fluktuacjami statystycznymi, które mogą działać losowo. włączaj i wyłączaj. Pojawiają się również zagadnienia związane z fizyką tradycyjnej litografii [wykorzystanie światła do wytrawiania wzorów na chipach krzemowych], jak np. dokładne pozycjonowanie płytek z dokładnością do kilku nanometrów. Każdy z tych problemów ma rozwiązanie technologiczne, które może wycisnąć jeszcze jedną lub dwie generacje skurczu, ale fakt, że tak wiele problemów trzeba teraz rozwiązać jednocześnie, jest prawie przytłaczający.

TR: Czy technologia oparta na krzemie nagle uderzy w ścianę?
WILLIAMSÓW: Z punktu widzenia fizyki nie ma powodów, dla których branża nie mogłaby zajmować się urządzeniami tak małymi jak 50 nanometrów. Problem w tym, że dotarcie tam staje się coraz trudniejsze i coraz droższe. Zamiast próbować grać w tę grę, wiele firm podejmie decyzję ekonomiczną, że nie zamierza produkować najnowocześniejszych żetonów. Głoszę to od jakiegoś czasu i nawet jestem zaskoczony, jak szybko to się dzieje. National Semiconductor – tutaj jest to firma, której półprzewodniki są w nazwie – nie zamierza już produkować mikroprocesorów nowej generacji. W rzeczywistości firma Hewlett-Packard ogłosiła niedawno, że zbuduje swoje zaawansowane procesory w odlewni (odlewnie to fabryki produkujące urządzenia na zlecenie). W końcu na świecie powstanie jedna lub dwie fabryki produkujące najnowocześniejsze urządzenia, które prawdopodobnie będą w dużej mierze finansowane przez rządy. Co oznacza, że ​​prawdopodobnie tak się nie stanie w Stanach Zjednoczonych.

TR: A przy tym tempie, jak długo to potrwa?
WILLIAMSÓW: Domyślam się, że nastąpi to przed 2012 rokiem. To wielka gra w kurczaka. Kto jest gotów wydać pieniądze na nową fabrykę?

TR: Jak szybko rosnące koszty produkcji i wynikający z tego efekt wyjścia firm z produkcji wpłyną na mikroelektronikę?
WILLIAMSÓW: Ceny przedmiotów, które kupujemy dzisiaj, nie wzrosną znacząco, ale nie zobaczymy dramatycznej poprawy wydajności i spadku kosztów urządzeń opartych na krzemie, które widzieliśmy w przeszłości. A fakt, że tak wiele dużych firm wycofuje się z badań nad procesami krzemowymi, z pewnością zaszkodzi na jakiś czas innowacjom w mikroelektronice. Otworzy to jednak również drzwi wielu drobnym przedsiębiorcom i wynalazcom, którzy chcą stworzyć całkowicie nowe urządzenia elektroniczne i procesy produkcyjne. Myślę, że następna dekada będzie jedną z największych eksplozji kreatywności, jakie widzieliśmy od czasu wynalezienia tranzystora.

TR: Przewidywałeś, że przy obecnym tempie kurczenia się, urządzenia oparte na krzemie zaczną osiągać fundamentalne granice około 2010 roku. Jeśli chodzi o znajdowanie i opracowywanie nowych technologii zastępujących krzem, to naprawdę nie jest to tak odległa przyszłość, prawda?
WILLIAMSÓW: Jest przerażająco blisko. Nie ma jeszcze zdecydowanego spadkobiercy technologii krzemowej. Aby nowa technologia była gotowa do tego czasu, musimy teraz ciężko pracować. W HP mamy tego, co uważamy za całkiem dobrego kandydata, ale myślę, że technologia i przyszła ekonomia tego kraju byłyby o wiele lepsze, gdyby było więcej niż jednego spadkobiercy, gdyby konkurowało ze sobą kilka grup z unikalnymi pomysłami. Jest kilka dobrych pomysłów, ale nie wystarczy.

TR: Dziwię się, że nie ma więcej, biorąc pod uwagę stawkę.
WILLIAMSÓW: Wiele badań odbywa się na poziomie urządzeń dyskretnych. Ale jest bardzo mało prac na skalę architektoniczną. Zamiast patrzeć na dyskretne jednostki podstawowe, patrzymy na funkcję całego obwodu.

TR: Zamiast próbować tworzyć rzeczy w skali nanometrowej, a potem martwić się, jak możesz ich użyć, masz już na myśli…
WILLIAMSÓW: Potencjalna ogólna struktura. Większość ludzi, którzy pracują w tej dziedzinie, zasadniczo próbuje dowiedzieć się, jak zrobić molekularny analog istniejącego urządzenia elektronicznego; potem mają nadzieję, że wymyślą, jak połączyć te wszystkie rzeczy, aby stworzyć obwód lub system. Ludzie ciężko pracują, aby zrobić jedną cegłę i mają nadzieję, że kiedy już to zrobią, będą mogli wymyślić, jak coś z niej zbudować. Z drugiej strony mamy rysunek architektoniczny całego budynku i szukamy najlepszych materiałów do wykonania tego budynku.

TR: Waszą ambicją jest wykorzystanie tego planu do zbudowania zupełnie nowego typu komputera, wytworzonego przy użyciu chemii, a nie litografii, prawda?
WILLIAMSÓW: Naszym celem jest produkcja obwodów w prostych dygestoriach chemicznych przy użyciu zlewek i normalnych procedur chemicznych. Zamiast tworzyć niewiarygodnie skomplikowane i doskonałe urządzenia, które wymagają bardzo drogich fabryk, zrobilibyśmy urządzenia, które są w rzeczywistości bardzo proste i podatne na błędy produkcyjne. Wytwarzanie ich byłoby niezwykle tanie, a większość wartości ekonomicznej pochodziłaby z ich programowania.

TR: Wydaje się nieco sprzeczne z intuicją, że sposobem na uczynienie mikroelektroniki jeszcze mniejszej i wydajniejszej jest umożliwienie jej uszkodzenia.
WILLIAMSÓW: Rok temu opublikowaliśmy artykuł w Science, w którym mówimy o tym, co będzie potrzebne do stworzenia komputera z wykorzystaniem montażu chemicznego. Odpowiedź była taka, że ​​trzeba mieć architekturę obliczeniową, która pozwoliłaby systemom na wiele wad produkcyjnych, wiele błędów. Nazywamy to tolerancją na defekty architektury. Omówiliśmy przykład komputera, który został zbudowany w firmie Hewlett-Packard o nazwie Teramac. To jest nasz archetyp komputerowy; uważamy, że w przyszłości rzeczy, które opierają się na obiektach w skali molekularnej lub nanometrowej, będą musiały mieć jako część swoich zasad organizujących te projekty odporne na defekty, ponieważ perfekcyjne wykonanie tak małych rzeczy będzie niemożliwe.

TR: Opowiedz nam trochę o początkach Twojego zainteresowania Teramakiem.
WILLIAMSÓW: James Heath, profesor chemii z UCLA, i ja spędziliśmy co najmniej półtora roku na studiowaniu go, zanim byliśmy gotowi do zbudowania czegokolwiek. Odbyliśmy serię rozmów z architektem komputerowym z HP, Philipem Kuekesem, na temat tolerancji defektów, a Phil zaczął z nami rozmawiać o komputerze, który pomagał zbudować. Zdecydowali się zbudować go z niedoskonałych lub wadliwych komponentów krzemowych, ponieważ byłyby one znacznie tańsze i po prostu rozwiązywali wszelkie problemy, które pojawiły się przy użyciu sprytnego oprogramowania.

TR: Innymi słowy, płacisz za doskonałość materiału.
WILLIAMSÓW: Absolutnie. Doskonałość kosztuje dużo pieniędzy. A w miarę jak stajesz się coraz bardziej złożony, koszt perfekcji jest coraz wyższy. To główny powód, dla którego koszty fabryk rosną wykładniczo. Mówimy, że jeśli możemy tworzyć rzeczy, które są niedoskonałe, ale nadal działają doskonale, możemy je budować znacznie taniej.

TR: Jak sprawić, by coś, co jest niedoskonałe, działało idealnie?
WILLIAMSÓW: Teramac ma architekturę, która opiera się na bardzo regularnych strukturach zwanych poprzeczkami, co pozwala na połączenie dowolnego wejścia z dowolnym wyjściem. Jeśli jakikolwiek konkretny przełącznik lub przewód w systemie jest uszkodzony, możesz go ominąć. Możesz uniknąć problemów. Okazało się, że Teramac miał ogromny bonus. Nie tylko jest w stanie kompensować błędy produkcyjne, ale także Teramaca można było zaprogramować bardzo szybko i wykonywał te programy z oszałamiającą szybkością, ponieważ miał tak ogromną przepustowość komunikacyjną.

TR: W swojej konstrukcji Teramac wykorzystuje chipy krzemowe, aczkolwiek wadliwe. Ale interesuje Cię wykorzystanie tej architektury do budowy komputera przy użyciu procesów chemicznych. Dlaczego jest to tak obiecujące dla tej aplikacji?
WILLIAMSÓW: Teramac został zbudowany jako narzędzie do wykazania użyteczności tolerancji defektów w przypadku tańszego budowania złożonych systemów. Mimo że był to sukces, komputer stacjonarny Teramac nie jest jeszcze opłacalny ekonomicznie. Możliwe, że architektury podobne do Teramaca pomogą rozszerzyć krzemowe układy scalone mniej więcej o generację, czyniąc fabryki tańszymi w budowie, ale widzimy ogromny potencjał tej architektury w chemicznej produkcji układów scalonych. Składanie urządzeń i zamawianie ich za pomocą środków chemicznych będzie procesem z natury podatnym na błędy. Jednak teraz mamy dowód na to, że wysoce wadliwy system może działać doskonale.

TR: Ta rzeczywista architektura może zapewnić rzeczywisty sposób wykonywania obliczeń?
WILLIAMSÓW: To jest prawdziwe. Sprzęt został zbudowany, przetestowany i zaprogramowany. Koncepcje są bardzo dobrze zrozumiane i bardzo solidne. Teraz drugim etapem tego wszystkiego jest sprawdzenie, czy możemy wykorzystać idee pochodzące z podstawowych badań w nanotechnologii – idee samoorganizacji, konstruowania małych regularnych jednostek przy użyciu procedur chemicznych – do stworzenia czegoś, co byłoby użyteczne. Uważamy, że nasz lipcowy artykuł naukowy jest pierwszym ważnym krokiem w tym kierunku, ponieważ pokazujemy, że molekularne przełączanie elektronów jest możliwe.

TR: Co dalej?
WILLIAMSÓW: Mamy nadzieję, że w ciągu dwóch lat zbudujemy chemicznie działającą 16-bitową pamięć, która zmieści się w kwadracie o boku 100 nanometrów. Dziś jeden bit w pamięci krzemowej jest znacznie większy niż mikrometr kwadratowy. Tak więc szukamy skalowania o co najmniej trzy rzędy wielkości gęstości pamięci. Szczerze mówiąc, naszym długofalowym celem jest zbudowanie całego komputera przy użyciu wyłącznie procesów chemicznych. Ten konkretny cel to 10 lat od teraz, jeśli wszystko pójdzie dobrze, a nawet wtedy będziemy tworzyć dość proste obwody. Ale to musi się gdzieś zacząć.

ukryć