Vad hände med DNA-beräkningar?

När den första transistorn skapades, 1947, var det få som kunde föreställa sig den slutliga effekten av denna enhet - omkopplaren som ligger i hjärtat av logikchips.

Vi har kisel att tacka för datorernas stora övertagande. Lägg till en liten nypa föroreningar till elementet, och kisel bildar ett material nästan idealiskt för transistorer i datorchips.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

I mer än fem decennier har ingenjörer krympt kiselbaserade transistorer om och om igen, och skapat successivt mindre, snabbare och mer energieffektiva datorer i processen. Men den långa tekniska segerserien – och miniatyriseringen som har möjliggjort den – kan inte vara för evigt. Det finns ett behov av teknik för att slå kisel, eftersom vi når enorma begränsningar på det, säger Nicholas Malaya, en beräkningsforskare vid AMD i Kalifornien.

Vad kan denna efterföljande teknologi vara? Det har inte funnits någon brist på alternativa beräkningsmetoder som föreslagits under de senaste 50 åren. Här är fem av de mer minnesvärda. Alla hade massor av hype, bara för att bli avbrutna av kisel. Men det kanske finns hopp för dem ännu.

Spintronik

Datorchips är uppbyggda kring strategier för att kontrollera flödet av elektroner – mer specifikt deras laddning. Förutom laddning har dock elektroner också rörelsemängd, eller spinn, som kan manipuleras med magnetfält. Spintronics uppstod på 1980-talet, med tanken att spin kan användas för att representera bitar : en riktning skulle kunna representera ett och den andra 0 .

I teorin kan spintroniska transistorer göras små, vilket möjliggör tätt packade chips. Men i praktiken har det varit svårt att hitta rätt ämnen för att konstruera dem. Forskare säger att mycket grundläggande materialvetenskap fortfarande behöver utarbetas.

Ändå har spintroniska teknologier kommersialiserats inom några mycket specifika områden, säger Gregory Fuchs, tillämpad fysiker vid Cornell University i Ithaca, New York. Hittills har den största framgången för spintronics varit beständigt minne, den sorten som förhindrar dataförlust vid strömavbrott. STT-RAM (för spin transfer torque random access memory) har varit i produktion sedan 2012 och kan hittas i molnlagringsanläggningar.

Memristorer

Klassisk elektronik är baserad på tre komponenter: kondensator, motstånd och induktor. 1971 teoretiserade elektroingenjören Leon Chua en fjärde komponent som han kallade memristorn, för minnesresistor. År 2008 utvecklade forskare vid Hewlett-Packard den första praktiska memristorn med titandioxid.

Det var spännande eftersom memristorer i teorin kan användas för både minne och logik. Enheterna kommer ihåg den senast pålagda spänningen, så de håller fast vid information även om de stängs av. De skiljer sig också från vanliga motstånd genom att deras resistans kan ändras beroende på mängden spänning som appliceras. Sådan modulering kan användas för att utföra logiska operationer. Om de görs i en dators minne kan dessa operationer minska hur mycket data som behöver överföras mellan minne och processor.

Memristors gjorde sin kommersiella debut som icke-flyktig lagring, kallad RRAM eller ReRAM, för resistivt direktminne. Men fältet går fortfarande framåt. Under 2019 utvecklade forskare ett 5 832 memristorchip som kan användas för artificiell intelligens.

Kolnanorör

Kol är inte en idealisk halvledare. Men under rätt förhållanden kan det göras för att bilda nanorör som är utmärkta sådana. Kolnanorör tillverkades först till transistorer i början av 2000-talet, och studier visade att de kunde vara 10 gånger mer energieffektiv än kisel.

Faktum är att av de fem alternativa transistorer som diskuteras här, kan kolnanorör vara längst med. I 2013 , byggde Stanford-forskare världens första fungerande dator drivs helt av kolnanorörstransistorer , om än en enkel sådan.

Men kolnanorör tenderar att rulla till små bollar och klumpas ihop som spagetti. Dessutom gör de flesta konventionella syntesmetoder halvledande och metalliska nanorör i en rörig blandning. Materialvetare och ingenjörer har undersökt sätt att korrigera och komma runt dessa brister. Under 2019 använde MIT-forskare förbättrade tekniker för att gör en 16-bitars mikroprocessor med mer än 14 000 kolnanorörstransistorer . Det är fortfarande långt ifrån ett kiselchip med miljoner eller miljarder transistorer, men det är ändå ett framsteg.

DNA-beräkning

1994 gjorde Leonard Adleman, en datavetare vid University of Southern California i Los Angeles, en dator av en soppa av DNA. Han visade att DNA kunde självmontera i ett provrör för att utforska alla möjliga vägar i det berömda resandeförsäljarproblemet. Experter förutspådde att DNA-beräkning skulle göra det slå kiselbaserad teknologi, särskilt med massivt parallell beräkning. Senare drog forskarna slutsatsen att DNA-beräkning inte är tillräckligt snabb för att göra det.

Men DNA har vissa fördelar. Forskare har visat att det är möjligt att koda poesi , GIF-filer och digitala filmer in i molekylerna. Den potentiella tätheten är häpnadsväckande. All världens digitala data skulle kunna lagras i en kaffemugg full med DNA, biologiska ingenjörer vid MIT uppskattade i en tidning tidigare i år. Haken är kostnad: en medförfattare sa senare att DNA-syntesen skulle behöva vara sex storleksordningar billigare för att konkurrera med magnetband.

Om inte forskare kan sänka kostnaderna för DNA-lagring, kommer livets saker att sitta fast i cellerna.

Molekylär elektronik

Det är en övertygande vision: transistorer blir mindre och mindre, så varför inte hoppa vidare och göra dem från enskilda molekyler ? Switchar i nanometerskala skulle ge ett ytterst kostnadseffektivt, tätt packat chip. Chipsen kanske till och med kan montera ihop sig själva tack vare interaktioner mellan molekyler .

Grupper på Hewlett-Packard och på andra håll i början av 2000-talet tävlade för att få kemin och elektroniken att fungera tillsammans.

Men efter decennier av arbete är drömmen om molekylär elektronik fortfarande just det. Forskare har funnit att enstaka molekyler kan vara petiga och fungera som transistorer endast under mycket snäva förhållanden. Ingen har visat hur enheter med en enda molekyl på ett tillförlitligt sätt kan integreras i massivt parallell mikroelektronik, säger Richard McCreery, kemist vid University of Alberta.

Drömmen om molekylär elektronik har inte helt dött, men nuförtiden är den till stor del förpassad till kemi- och fysiklabben, där forskare fortsätter kämpar för att göra oändligt ombytliga molekyler bete sig.

Vad kommer härnäst?

Kisel regerar fortfarande, men tiden börjar rinna ut för allas favorithalvledare. Det senaste Internationell färdplan för enheter och system (IRDS) föreslår att transistorer förväntas sluta krympa efter 2028 och att integrerade kretsar kommer att behöva staplas i tre dimensioner för att fortsätta göra snabbare och effektivare chips möjliga.

Detta kan vara tiden då andra datorenheter hittar en öppning, men bara i samband med kiselteknik. Forskare undersöker hybridmetoder för att göra chips. Under 2017 integrerade forskare som hade gjort framsteg med kolnanorörstransistorer dem med lager av icke-flyktiga memristorer och kiselenheter - en prototyp för ett tillvägagångssätt för att förbättra hastigheten och energiförbrukningen i datoranvändning genom att gå bort från traditionell arkitektur.

Klassiska kiselbaserade chips kommer fortfarande att göra vissa framsteg, säger AMD:s Malaya. Men, tillägger han, jag tror att framtiden kommer att vara heterogen, där all teknologi förmodligen används på ett komplementärt sätt till traditionell datoranvändning.

Framtiden kommer med andra ord fortfarande att vara kisel. Men det blir andra saker också.

Lakshmi Chandrasekaran är en frilansande vetenskapsskribent baserad i Chicago .

Dölj