Kas notika ar DNS skaitļošanu?

Kad 1947. gadā tika izveidots pirmais tranzistors, tikai daži varēja iedomāties šīs ierīces iespējamo ietekmi — slēdzi, kas atrodas loģisko mikroshēmu centrā.

Mums ir jāpateicas silīcijam par skaitļošanas lielisko pārņemšanu. Pievienojiet elementam nelielu šķipsniņu piemaisījumu, un silīcijs veido materiālu, kas ir gandrīz ideāls datoru mikroshēmu tranzistoriem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2021. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Vairāk nekā piecus gadu desmitus inženieri atkal un atkal ir samazinājuši silīcija tranzistorus, radot pakāpeniski mazākus, ātrākus un energoefektīvākus datorus. Taču ilgā tehnoloģiskā uzvaras sērija un miniaturizācija, kas to ir nodrošinājusi, nevar ilgt mūžīgi. Ir vajadzīgas tehnoloģijas, lai pārspētu silīciju, jo mēs sasniedzam milzīgus ierobežojumus, saka Nikolass Malaja, skaitļošanas zinātnieks no AMD Kalifornijā.

Kas varētu būt šī tehnoloģiju pēctece? Pēdējo 50 gadu laikā nav trūcis alternatīvu skaitļošanas metožu. Šeit ir pieci no neaizmirstamākajiem. Visiem bija daudz ažiotāžu, tikai silīcijs tos nomāca. Bet varbūt viņiem vēl ir cerība.

Spintronika

Datoru mikroshēmas ir veidotas, pamatojoties uz stratēģijām, lai kontrolētu elektronu plūsmu, precīzāk, to lādiņu. Tomēr papildus lādiņam elektroniem ir arī leņķiskais impulss jeb spin, ko var manipulēt ar magnētiskajiem laukiem. Spintronika radās 1980. gados ar domu, ka spin var izmantot, lai attēlotu bitus : varētu attēlot viens virziens viens un otrs 0 .

Teorētiski spintroniskos tranzistorus var padarīt mazus, ļaujot izveidot blīvi iepakotas mikroshēmas. Taču praksē ir bijis grūti atrast pareizās vielas, lai tās izveidotu. Pētnieki saka, ka daudz pamata materiālu zinātnes vēl ir jāizstrādā.

Neskatoties uz to, spintroniskās tehnoloģijas ir komercializētas dažās ļoti specifiskās jomās, saka Gregorijs Fukss, lietišķais fiziķis Kornela Universitātē Itakā, Ņujorkā. Līdz šim lielākais spintronikas panākums ir bijis nepastāvīgā atmiņa, kas novērš datu zudumu strāvas padeves pārtraukuma gadījumā. STT-RAM (griešanās momenta brīvpiekļuves atmiņai) tiek ražots kopš 2012. gada, un to var atrast mākoņkrātuvēs.

Memristors

Klasiskās elektronikas pamatā ir trīs komponenti: kondensators, rezistors un induktors. 1971. gadā elektroinženieris Leons Čua teorētiski izstrādāja ceturto komponentu, ko viņš sauca par memristoru, kā atmiņas rezistoru. 2008. gadā Hewlett-Packard pētnieki izstrādāja pirmo praktisko memristoru, izmantojot titāna dioksīdu.

Tas bija aizraujoši, jo memristorus teorētiski var izmantot gan atmiņai, gan loģikai. Ierīces atceras pēdējo pieslēgto spriegumu, tāpēc tās saglabā informāciju pat tad, ja tās ir izslēgtas. No parastajiem rezistoriem tie atšķiras arī ar to, ka to pretestība var mainīties atkarībā no pielietotā sprieguma daudzuma. Šādu modulāciju var izmantot loģisko operāciju veikšanai. Ja šīs darbības tiek veiktas datora atmiņā, tās var samazināt datu daudzumu, kas jāpārsūta starp atmiņu un procesoru.

Memristors savu komerciālo debiju piedzīvoja kā nemainīga krātuve, ko sauc par RRAM vai ReRAM, rezistīvai brīvpiekļuves atmiņai. Bet laukums joprojām virzās uz priekšu. 2019. gadā pētnieki izstrādāja 5832 memristora mikroshēmu, ko var izmantot mākslīgajam intelektam.

Oglekļa nanocaurules

Ogleklis nav ideāls pusvadītājs. Bet pareizos apstākļos no tā var izveidot izcilas nanocaurules. Oglekļa nanocaurules pirmo reizi tika pārveidotas par tranzistoriem 2000. gadu sākumā, un pētījumi parādīja, ka tās varētu būt 10 reizes energoefektīvāks par silīciju.

Faktiski no pieciem šeit apspriestajiem alternatīvajiem tranzistoriem oglekļa nanocaurules var būt vistālāk. In 2013. gads , Stenfordas pētnieki uzbūvēja pasaulē pirmo funkcionālo datoru pilnībā darbina oglekļa nanocaurules tranzistori , kaut arī vienkāršs.

Taču oglekļa nanocaurules mēdz satīt mazās bumbiņās un salipt kopā kā spageti. Turklāt lielākā daļa parasto sintēzes metožu veido pusvadītāju un metālisku nanocaurules nekārtīgā maisījumā. Materiālu zinātnieki un inženieri ir pētījuši veidus, kā labot un novērst šīs nepilnības. 2019. gadā MIT pētnieki izmantoja uzlabotas metodes, lai izveidot 16 bitu mikroprocesoru ar vairāk nekā 14 000 oglekļa nanocauruļu tranzistoriem . Tas joprojām ir tālu no silīcija mikroshēmas ar miljoniem vai miljardiem tranzistoru, taču tas tomēr ir progress.

DNS skaitļošana

1994. gadā Losandželosas Dienvidkalifornijas universitātes datorzinātnieks Leonards Adlemans no DNS zupas izveidoja datoru. Viņš parādīja, ka DNS var patstāvīgi savākties mēģenē, lai izpētītu visus iespējamos ceļus slavenā ceļojošā pārdevēja problēmai. Eksperti prognozēja, ka tā būs DNS skaitļošana pārspēt uz silīciju balstīta tehnoloģija, jo īpaši ar masveida paralēlo skaitļošanu. Vēlāk pētnieki secināja, ka DNS skaitļošana nav pietiekami ātra, lai to izdarītu.

Bet DNS ir dažas priekšrocības. Pētnieki ir parādījuši, ka ir iespējams kodēt dzeja , GIF attēli un digitālās filmas molekulās. Potenciālais blīvums ir satriecošs. Visus pasaules digitālos datus var glabāt kafijas krūzē, kas ir pilna ar DNS, bioloģiskie inženieri MIT tika lēsts rakstā šā gada sākumā. Nozveja ir dārga: viens līdzautors vēlāk teica, ka DNS sintēzei vajadzētu būt par sešām kārtām lētākai, lai konkurētu ar magnētisko lenti.

Ja vien pētnieki nevarēs samazināt DNS uzglabāšanas izmaksas, dzīvības materiāli paliks šūnās.

Molekulārā elektronika

Tā ir pārliecinoša vīzija: tranzistori paliek arvien mazāki un mazāki, tāpēc kāpēc gan nelēkt uz priekšu un tos no atsevišķām molekulām ? Nanometra mēroga slēdži radītu ārkārtīgi rentablu, blīvi iesaiņotu mikroshēmu. Pateicoties mijiedarbība starp molekulām .

Grupas Hewlett-Packard un citur 2000. gadu sākumā sacentās, lai ķīmija un elektronika sadarbotos.

Bet pēc gadu desmitiem ilga darba sapnis par molekulāro elektroniku joprojām ir tieši tāds. Pētnieki ir atklājuši, ka atsevišķas molekulas var būt smalkas, darbojoties kā tranzistori tikai ļoti šauros apstākļos. Neviens nav parādījis, kā vienas molekulas ierīces var droši integrēt masveidā paralēlā mikroelektronikā, saka Richard McCreery, ķīmiķis no Albertas universitātes.

Sapnis par molekulāro elektroniku nav pilnībā miris, taču mūsdienās tas lielā mērā ir novirzīts uz ķīmijas un fizikas laboratorijām, kur pētnieki turpina darbu. cīnās, lai izveidotu bezgalīgi nepastāvīgas molekulas uzvesties.

Kas būs tālāk?

Silīcijs joprojām valda, taču laiks tuvojas ikviena iecienītākajam pusvadītājam. Pēdējais Starptautiskais ierīču un sistēmu ceļvedis (IRDS) liecina, ka ir sagaidāms, ka tranzistori pārtrauks sarukt pēc 2028. gada un ka integrālās shēmas būs jāsavieto trīs dimensijās, lai arī turpmāk būtu iespējamas ātrākas un efektīvākas mikroshēmas.

Tas varētu būt laiks, kad citas skaitļošanas ierīces atrod atvērumu, bet tikai kopā ar silīcija tehnoloģiju. Pētnieki pēta hibrīdas pieejas mikroshēmu izgatavošanai. 2017. gadā pētnieki, kuri bija guvuši panākumus oglekļa nanocauruļu tranzistoru izstrādē, integrēja tos ar nepastāvīgu memristoru un silīcija ierīču slāņiem — prototipu pieejai ātruma un enerģijas patēriņa uzlabošanai skaitļošanā, atkāpjoties no tradicionālās arhitektūras.

Klasiskās silīcija mikroshēmas joprojām sniegs zināmu progresu, saka AMD Malaya. Taču, viņš piebilst, es domāju, ka nākotne būs neviendabīga, jo visas tehnoloģijas, iespējams, tiks izmantotas kā papildinājums tradicionālajai skaitļošanai.

Citiem vārdiem sakot, nākotne joprojām būs silīcijs. Bet tās būs arī citas lietas.

Lakšmi Čandrasekarans ir ārštata zinātniskais rakstnieks, kas dzīvo Čikāgā .

paslēpties