Beräkning efter kisel

För fyra år sedan gjorde kemiprofessorn R. Stanley Williams vid UCLA och datorjätten Hewlett-Packard (HP) samtidigt förändringar i mitten av karriären. Företaget hade vuxit till en av världens ledande dator- och mikroprocessortillverkare, men det hade fortfarande ingen grundläggande forskargrupp. Williams hade tillbringat de föregående femton åren i den akademiska världen och fruktade att han skulle tappa kontakten med verkligheten i verksamheten (tidigare i sin karriär hade han arbetat flera år på Bell Laboratories.) Lösningen: ett grundforskningslabb på HP i regi av Williams.

Som chef för labbet är Williams främsta oro framtiden för datoranvändning. Den progressiva miniatyriseringen av kiselbaserade integrerade kretsar har lett till mindre, billigare och kraftfullare maskiner. Toppmoderna chips har nu funktioner så små som flera hundra nanometer i diameter (en nanometer är en miljarddels meter). Det är litet. Men enligt Williams beräkningar kommer förmågan att fortsätta att krympa kiselbaserade enheter sannolikt att stanna någonstans runt 2010. Sådana förutsägelser är knappast chockerande - andra Silicon Valley-experter har kommit fram till liknande slutsatser. Det som är förvånande är att Williams tror att han och hans medarbetare på HP och UCLA har hittat en lösning: en livskraftig arvtagare till kisel.

Om Williams har rätt, kommer datoranvändning en dag att förlita sig på nanometerskaliga komponenter billigt och enkelt att montera med hjälp av enkel kemi. Istället för dagens teknik att exakt skära in detaljer på kiselchips för att skapa komplexa och nästan perfekta mönster, kommer tekniker att doppa substrat i kärl med kemikalier. Och om blandningen är rätt, kommer ledningar och strömbrytare att kemiskt montera sig själva från dessa material. Det skulle möjliggöra små, billiga och oerhört kraftfulla datorer. Detta är en fascinerande vision. Men trots allt är Silicon Valley (och den populära pressen) fulla av fascinerande visioner om framtidens datorer. Det som gör de hopkok som Williams kokar fram hos HP mer övertygande är att de inte bara är idéer. Förra året publicerade Williams och hans medarbetare en rapport i Science som beskrev en datorarkitektur som kunde göra kemiskt sammansatta kretsar möjliga; och i juli publicerade gruppen en andra Science-artikel, denna gång som beskrev syntesen av en första potentiell komponent i deras datormolekylära elektroniska switchar. Resultaten skapade rubriker i tidningar runt om i landet.

Under veckorna innan mediafrenesi, BARN Seniorredaktören David Rotman chattade med Williams om datoranvändning efter kisel, grundforskning i högteknologiska företag och sin egen personliga övergång från universitetet till den privata sektorn.

TR: Du kom till HP 1995 för att etablera ett grundforskningslabb efter att ha varit professor vid UCLA. Vad var ditt uppdrag?
WILLIAMS: Hewlett-Packard hade egentligen aldrig en grundforskningsgrupp. Tidigare hade det förekommit diskussioner inom HP där folk sa att vi verkligen borde göra mer grundläggande forskning, vi borde verkligen på något sätt återföra kunskap till den typen av filosofiska diskussioner. Och det var alltid några få personer som gjorde något grundläggande arbete. Men HP insåg att man var tvungen att skapa en separat grupp som var mer isolerad från de dagliga kraven från produktforskning för att göra en uthållig ansträngning. Jag blev kontaktad och frågade om jag skulle vara intresserad av att försöka starta upp en grundforskningsgrupp. Jag trodde bestämt, och jag tror faktiskt ännu starkare nu, att grundforskning har verkligt värde för ett företag.

TR: Hur visar du det värdet?
WILLIAMS: Det finns flera sätt. En är att ge en vision för hur elektronik och datoranvändning kommer att se ut inom en 10-årig tidsram. Vi fungerar även som teknikradar. Vi hör ofta om utvecklingen inför människorna i skyttegravarna och vi kan uppmärksamma dem på att det finns intressanta möjligheter eller kanske hot som dyker upp. Vi arbetar också med så grundläggande frågor att om vi lyckas kommer vinsten för företaget att bli enorm. Och de vet det. Varje intelligent investeringsportfölj har några långa skott.

TR: Har saker och ting fungerat som du förväntat dig sedan du startade labbet?
WILLIAMS: När jag kom till HP hade jag väldigt oklara idéer om framtidens elektronik. Nu har vi en färdplan. Det har varit fantastiskt. Det finns ett par saker som inte har fungerat som jag förväntat mig. Jag hade hoppats på flera gemensamma forskningsprojekt med de mer tillämpade labben. Även om forskarna själva är intresserade av att arbeta med oss ​​och deras chefer uppmuntrar dem att göra det, när människor har deadlines att hålla, kan dessa samarbeten inte upprätthållas. En annan fråga är att vi har konkurrerat om finansieringen med många ekonomiskt avgörande projekt och så grundforskningen har inte vuxit så snabbt som jag hade tänkt mig när jag anställdes. Vi börjar bara växa lite.

TR: Hur bra går det för den högteknologiska industrin i att bedriva grundforskning? Är det att uppnå den rätta balansen mellan att tillhandahålla grundläggande vetenskap och samtidigt se upp för slutresultatet?
WILLIAMS: I allmänhet nej. I dagens hårt konkurrensutsatta miljö kan vilket högteknologiskt företag som helst gå i konkurs inom tre år – eller betydligt mindre med införandet av internettid. Det är väldigt svårt att uppmärksamma det långsiktiga, vilket för styrelsen i vissa företag är kvartalet efter nästa. Även i företagens forskningslabb har trycket att bli bättre anpassad till produktdivisionerna, förkorta forsknings- och utvecklingscykler och bekämpa dagliga bränder kollapsat de flesta chefers och forskares syn på bara några år.

TR: Vad betyder det för datorbranschen?
WILLIAMS: Jag tror att det blir en strategisk fördel att ha en stark grundforskningskomponent i ett företagslaboratorium. Detta är särskilt fallet för de högteknologiska företag som är beroende av framsteg inom elektronik. Det kommer att finnas en enorm ekonomisk belöning för de företag och länder som är framgångsrika i att utnyttja strukturer i nanometerskala och kvantfenomen för beräknings-, kommunikations- och mättillämpningar. Dessa är alla fortfarande på nivån av grundforskning, men de kommer att vara grunden för tekniken långt innan jag är redo att gå i pension. Företag som inte hänger med i utvecklingen kommer inte att hinna med senare. Fortune 100 kommer att se mycket annorlunda ut om tio år än nu, och en betydande skillnad kommer att vara investeringar i grundforskning.

TR: Låt oss prata om framtiden för datoranvändning mer specifikt. Du hänvisar ofta till gränserna för kiselbaserad datoranvändning. Vilka är dessa gränser?
WILLIAMS: Det finns två mycket olika problem som halvledarindustrin står inför under det kommande decenniet. Den ena är ekonomisk. Kostnaden för att bygga fabriker för att tillverka varje ny generation av kiselchips har ökat med en faktor två vart tredje år. En tillverkningsanläggning på 10 miljarder dollar, eller fab, är inte långt borta. År 2010 kommer en fab sannolikt att kosta 30 miljarder dollar. Den andra frågan, som är en av huvudorsakerna till den första, är att kiselbaserade transistorer börjar uppleva några grundläggande fysik- och materialbegränsningar när de blir mindre och mindre. Till exempel, antalet elektroner som används för att koppla på och stänga av en fälteffekttransistor - grundpelaren i dagens datorer - går ner i hundratals, och när det blir mycket lägre kommer det att uppstå allvarliga problem med statistiska fluktuationer som kan verka slumpmässigt slå på och av den. Det finns också problem som är förknippade med fysiken i traditionell litografi [användningen av ljus för att etsa mönster på kiselchips], som hur man korrekt positionerar wafers med en precision på några nanometer. Vart och ett av dessa problem har en teknisk lösning som kan pressa ut ytterligare en eller två generationer av krympning, men det faktum att så många problem nu måste lösas samtidigt är nästan överväldigande.

TR: Kommer kiselbaserad teknik plötsligt träffa en vägg?
WILLIAMS: Från fysiksynpunkt finns det inga skäl till varför industrin inte kan komma ner till enheter så små som 50 nanometer. Men problemet är att att ta sig dit blir mer och mer utmanande och dyrare och dyrare. Istället för att försöka spela spelet kommer många företag att fatta ett ekonomiskt beslut att de inte kommer att göra toppmoderna marker. Jag har predikat detta ett tag, och till och med jag är förvånad över hur snabbt det här händer. National Semiconductor - här är ett företag med halvledare i sitt namn - kommer inte att göra nästa generations mikroprocessorer längre. Faktum är att Hewlett-Packard nyligen meddelade att de kommer att ha sina avancerade processorer byggda i ett gjuteri (gjuterier är fabriker som producerar enheter på kontraktsbasis). Så småningom kommer det att finnas en eller två fabriker i världen som bygger anordningar på toppmodernt sätt, och dessa fabriker kommer förmodligen att finansieras till stor del av regeringar. Vilket betyder att det förmodligen inte kommer att hända i USA.

TR: Och i den här takten, hur lång tid tar det?
WILLIAMS: Min gissning är att det kommer att vara före 2012. Det är en stor omgång kyckling. Vem är villig att spendera pengarna för en ny fabrik?

TR: Hur kommer de snabbt stigande produktionskostnaderna, och den efterföljande effekten av att företag lämnar tillverkning, påverka mikroelektroniken?
WILLIAMS: Priserna för de artiklar vi köper idag kommer inte att gå upp nämnvärt, men vi kommer inte att se de dramatiska förbättringar i prestanda och kostnadsminskningar för kiselbaserade enheter som vi har sett tidigare. Och det faktum att så många stora företag går ur kiselprocessforskningen kommer definitivt att skada innovationen inom mikroelektronik ett tag. Men detta kommer också att öppna dörren för många småskaliga entreprenörer och uppfinnare som vill skapa helt nya elektroniska enheter och tillverkningsprocesser. Jag tror att nästa decennium kommer att ge en av de största explosioner av kreativitet vi har sett sedan uppfinningen av transistorn.

TR: Du har förutspått att, med nuvarande krympningshastighet, kommer kiselbaserade enheter att börja nå grundläggande gränser runt 2010. När det gäller att hitta och utveckla ny teknik för att ersätta kisel, ligger det verkligen inte så långt fram i framtiden, eller hur?
WILLIAMS: Det är skrämmande nära. Det finns ännu ingen bestämd arvtagare till kiseltekniken. För att ha en ny teknik klar då måste vi jobba hårt just nu. På HP har vi vad vi tycker är en ganska bra kandidat, men jag tror att tekniken och framtidens ekonomi i det här landet skulle vara mycket bättre om det fanns mer än en arvtagare, om det fanns flera grupper med unika idéer som konkurrerade. Det finns några bra idéer där ute, men inte tillräckligt.

TR: Jag är förvånad över att det inte finns fler, med tanke på vad som står på spel.
WILLIAMS: Mycket av forskningen är på nivån för diskreta enheter. Men det pågår väldigt lite arbete i arkitektonisk skala. Istället för att titta på diskreta grundenheter, tittar vi på funktionen hos en hel krets.

TR: Istället för att försöka göra saker i nanometerskala och sedan oroa dig för hur du kanske kan använda dem, har du redan i åtanke...
WILLIAMS: En potentiell övergripande struktur. De flesta av de människor som arbetar inom detta område försöker i huvudsak komma på hur man gör en molekylär analog av en befintlig elektronisk enhet; då hoppas de att de kommer att ta reda på hur man ansluter alla dessa saker för att skapa en krets eller ett system. Människor arbetar i huvudsak hårt för att göra en enda tegelsten och hoppas att när de väl har gjort den kan de komma på hur man bygger något av den. Å andra sidan har vi den arkitektoniska ritningen av hela byggnaden, och vi letar efter de bästa materialen för att konstruera den byggnaden.

TR: Din ambition är att använda denna ritning för att bygga en helt ny typ av dator, en som tillverkas med kemi snarare än litografi, eller hur?
WILLIAMS: Vårt mål är att tillverka kretsar i enkla kemiska dragskåp med hjälp av bägare och normala kemiska procedurer. Istället för att göra otroligt komplexa och perfekta enheter som kräver mycket dyra fabriker, skulle vi tillverka enheter som faktiskt är väldigt enkla och benägna att tillverka fel. De skulle vara utomordentligt billiga att göra, och det mesta av det ekonomiska värdet skulle komma i deras programmering.

TR: Det verkar lite kontraintuitivt att sättet att göra mikroelektronik ännu mindre och kraftfullare är att låta dem vara defekta.
WILLIAMS: För ett år sedan publicerade vi en artikel i Science där vi pratar om vad som kommer att krävas för att göra en dator med kemisk sammansättning. Svaret var att du måste ha en datorarkitektur som gör att systemen kan ha många tillverkningsfel, många misstag. Vi kallar det arkitekturen defekttolerant. Vi diskuterade ett exempel på en dator som har byggts här på Hewlett-Packard som heter Teramac. Detta är vår datorarketyp; vi tror att saker som är baserade på objekt i molekylär eller nanometerskala i framtiden kommer att behöva ha dessa defekttoleranta konstruktioner som en del av sina organiseringsprinciper eftersom det kommer att bli omöjligt att göra så små saker perfekt.

TR: Berätta lite om ursprunget till ditt intresse för Teramac.
WILLIAMS: James Heath, en kemiprofessor vid UCLA, och jag tillbringade minst ett och ett halvt år på att studera det innan vi var redo att bygga något. Vi hade en serie diskussioner med en datorarkitekt på HP, Philip Kuekes, om defekttolerans, och Phil började prata med oss ​​om den här datorn som han hade hjälpt till att bygga. De hade bestämt sig för att bygga den från ofullkomliga eller defekta kiselkomponenter, eftersom de skulle vara mycket billigare, och bara ta itu med de problem som uppstod genom att använda smart programvara.

TR: Med andra ord, du betalar för ett materials perfektion.
WILLIAMS: Absolut. Perfektion kostar mycket pengar. Och när du blir mer och mer komplex, blir kostnaden för perfektion högre och högre. Det är den främsta anledningen till att kostnaderna för fabs ökar exponentiellt. Vad vi säger är att om vi kan göra saker som är ofullkomliga men fortfarande fungerar perfekt så kan vi bygga dem mycket billigare.

TR: Hur får man något som är ofullkomligt att fungera perfekt?
WILLIAMS: Teramac har en arkitektur som förlitar sig på mycket regelbundna strukturer som kallas crossbars, vilket gör att du kan ansluta vilken ingång som helst med vilken utgång som helst. Om någon speciell strömbrytare eller ledning i systemet är defekt kan du dra runt den. Du kan undvika problemen. Det visade sig att Teramac hade en enorm bonus. Det är inte bara kapabelt att kompensera för tillverkningsfel, utan Teramac kunde också programmeras mycket snabbt och det körde dessa program med bländande hastighet eftersom det hade denna enorma kommunikationsbandbredd.

TR: Som konstruerad använder Teramac kiselchips, även om de är defekta. Men ditt intresse är att använda den här arkitekturen för att bygga en dator med kemiska processer. Varför är det så lovande för den applikationen?
WILLIAMS: Teramac byggdes som ett verktyg för att visa nyttan av defekttolerans för att bygga komplexa system billigare. Även om det var en framgång är en stationär Teramac ännu inte ekonomiskt lönsam. Det kan vara så att Teramac-liknande arkitekturer hjälper till att förlänga integrerade kiselkretsar en generation eller så genom att göra fabriker billigare att bygga, men vi ser den enorma potentialen för denna arkitektur vid kemisk tillverkning av integrerade kretsar. Att montera enheter och beställa dem med kemiska medel kommer att vara en i sig felbenägen process. Men vi har nu bevis på att ett mycket defekt system kan fungera perfekt.

TR: Denna faktiska arkitektur kan ge ett verkligt sätt att göra datoranvändning?
WILLIAMS: Det är verkligt. Hårdvaran byggdes, testades och programmerades. Koncepten är mycket väl förstådda och mycket robusta. Nu är det andra steget av allt detta att se om vi kan använda de idéer som kommer från grundforskningen inom nanoteknik - idéerna om självmontering, att konstruera små vanliga enheter med kemiska procedurer - för att faktiskt göra något som skulle vara användbart. Vår Science-uppsats i juli är, tror vi, det första stora steget i den riktningen genom att vi visar att molekylär elektronisk omkoppling är möjlig.

TR: Vad kommer härnäst?
WILLIAMS: Inom två år hoppas vi kunna montera kemiskt ett fungerande 16-bitars minne som ryms i en kvadrat på 100 nanometer på en sida. Idag är en bit i ett kiselminne mycket större än en kvadratmikrometer. Så vi letar efter en skala upp på minst tre storleksordningar i minnestäthet. Vårt långsiktiga mål, ärligt talat, är att bygga en hel dator med bara kemiska processer. Det specifika målet är 10 år om allt går bra, och även då kommer vi att göra ganska enkla kretsar. Men det måste börja någonstans.

Dölj