Skaitļošana pēc silīcija

Pirms četriem gadiem UCLA ķīmijas profesors R. Stenlijs Viljamss un datoru gigants Hewlett-Packard (HP) vienlaikus veica izmaiņas karjeras vidū. Uzņēmums bija kļuvis par vienu no pasaules vadošajiem datoru un mikroprocesoru ražotājiem, taču tam joprojām nebija fundamentālas pētniecības grupas. Iepriekšējos piecpadsmit gadus Viljamss bija pavadījis akadēmiskajā vidē un baidījās, ka zaudēs kontaktu ar biznesa realitāti (agrāk savā karjerā viņš vairākus gadus strādāja Bell Laboratories). Risinājums: Viljamsa vadītā HP fundamentālo pētījumu laboratorija.

Kā laboratorijas vadītāja Viljamsa galvenā problēma ir skaitļošanas nākotne. Silīcija integrēto shēmu pakāpeniskā miniaturizācija ir radījusi mazākas, lētākas un jaudīgākas iekārtas. Vismodernākajām mikroshēmām tagad ir pat vairākus simtus nanometru šķērsgriezuma funkcijas (nanometrs ir viena miljardā daļa no metra). Tas ir mazs. Taču saskaņā ar Viljamsa aprēķiniem iespēja turpināt sarukt silīcija bāzes ierīces, visticamāk, apstāsies kaut kur ap 2010. gadu. Šādas prognozes diez vai ir šokējošas, jo citi Silīcija ielejas eksperti ir nonākuši pie līdzīgiem secinājumiem. Pārsteidzoši ir tas, ka Viljamss uzskata, ka viņš un viņa līdzstrādnieki HP un UCLA ir atraduši risinājumu: dzīvotspējīgu silīcija mantinieku.

Ja Viljamsam ir taisnība, skaitļošana kādu dienu paļausies uz nanometru mēroga komponentiem, kas ir lēti un viegli saliekami, izmantojot vienkāršu ķīmiju. Tā vietā, lai izmantotu mūsdienu paņēmienus precīzi iegrebt iezīmes uz silīcija mikroshēmām, lai izveidotu sarežģītus un gandrīz ideālus rakstus, tehniķi iegremdē substrātus ķīmisko vielu tvertnēs. Un, ja maisījums ir pareizs, vadi un slēdži ķīmiski samontēsies no šiem materiāliem. Tas padarītu iespējamus mazus, lētus un ārkārtīgi jaudīgus datorus. Šī ir aizraujoša vīzija. Tomēr galu galā Silīcija ieleja (un populārā prese) ir pilna ar aizraujošām vīzijām par skaitļošanas nākotni. Viljamsa izdomājumus, ko gatavo HP, padara pārliecinošākus tas, ka tie nav tikai idejas. Pagājušajā gadā Viljamss un viņa kolēģi publicēja ziņojumu Science, aprakstot datora arhitektūru, kas varētu padarīt ķīmiski saliktas shēmas iespējamas; un šī gada jūlijā grupa publicēja otro Science rakstu, kurā šoreiz tika aprakstīta viņu datormolekulāro elektronisko slēdžu pirmā iespējamā komponenta sintēze. Rezultāti tika publicēti laikrakstu virsrakstos visā valstī.

Dažās nedēļās pirms mediju neprāta BĒRNI Vecākais redaktors Deivids Rotmans tērzēja ar Viljamsu par skaitļošanu pēc silīcija, fundamentālajiem pētījumiem augsto tehnoloģiju korporācijās un savu personīgo pāreju no universitātes uz privāto sektoru.

TR: Jūs nonācāt HP 1995. gadā, lai izveidotu fundamentālo pētījumu laboratoriju pēc tam, kad esat UCLA profesors. Kāda bija tava misija?
WILLIAMS: Hewlett-Packard nekad īsti nebija pamata pētījumu grupas. Agrāk HP ietvaros bija diskusijas, kurās cilvēki teica, ka mums patiešām vajadzētu veikt vairāk fundamentālo pētījumu, mums patiešām vajadzētu kaut kā atgriezt zināšanas tādās filozofiskās diskusijās. Un vienmēr bija daži cilvēki, kas veica kādu fundamentālu darbu. Taču HP saprata, ka tai ir jāizveido atsevišķa grupa, kas būtu vairāk izolēta no ikdienas produktu izpētes prasībām, lai turpinātu darbu. Ar mani sazinājās un jautāja, vai es būtu ieinteresēts mēģināt izveidot pamatpētījumu grupu. Es stingri ticēju, un tagad es ticu vēl spēcīgāk, ka fundamentālajiem pētījumiem korporācijai ir patiesa vērtība.

TR: Kā jūs demonstrējat šo vērtību?
VILLIAMS: Ir vairāki veidi. Viens no tiem ir sniegt vīziju par to, kā elektronika un skaitļošana izskatīsies pēc 10 gadiem. Mēs darbojamies arī kā tehnoloģiju radars. Mēs bieži dzirdam par notikumu attīstību cilvēku priekšā, kas atrodas ierakumos, un varam viņus brīdināt, ka ir interesantas iespējas vai varbūt draudi. Turklāt mēs strādājam pie tik būtiskiem jautājumiem, ka, ja mums izdosies, uzņēmuma peļņa būs milzīga. Un viņi to zina. Katram viedam ieguldījumu portfelim ir daži tālredzīgi attēli.

TR: Vai kopš laboratorijas uzsākšanas viss ir izdevies, kā gaidījāt?
VILLIAMS: Kad nonācu HP, man bija ļoti miglaini priekšstati par nākotnes elektroniku. Tagad mums ir ceļvedis. Tas ir bijis pārsteidzošs. Ir dažas lietas, kas nav izdevies, kā es gaidīju. Es cerēju, ka būs vairāki kopīgi pētniecības projekti ar lietišķīgākajām laboratorijām. Lai gan paši pētnieki ir ieinteresēti sadarboties ar mums un viņu vadītāji mudina to darīt, ja cilvēkiem ir noteikti termiņi, kas jāievēro, šī sadarbība nevar tikt uzturēta. Cita problēma ir tā, ka mēs esam konkurējuši par finansējumu ar daudziem ekonomiski svarīgiem projektiem, un tāpēc fundamentālie pētījumi nav auguši tik strauji, kā tika paredzēts, kad mani pieņēma darbā. Mēs tikai sākam nedaudz augt.

TR: Cik labi augsto tehnoloģiju nozarei veicas fundamentālo pētījumu veikšanā? Vai tiek panākts pareizais līdzsvars, nodrošinot fundamentālo zinātni, vienlaikus raugoties uz rezultātu?
VILLIAMS: Kopumā nē. Mūsdienu nežēlīgās konkurences apstākļos jebkurš augsto tehnoloģiju uzņēmums var bankrotēt trīs gadu laikā vai ievērojami ātrāk, ieviešot interneta laiku. Ir ļoti grūti pievērst uzmanību ilgtermiņā, kas dažu uzņēmumu direktoru padomei ir ceturksnis pēc nākamā. Pat korporatīvajās pētniecības laboratorijās spiediens labāk saskaņot produktu sadalījumu, saīsināt pētniecības un izstrādes ciklus un cīnīties ar ikdienas ugunsgrēkiem ir sagrāvis vairuma vadītāju un pētnieku uzskatus par tikai dažiem gadiem.

TR: Ko tas nozīmē datoru nozarei?
VILLIAMS: Es domāju, ka spēcīga fundamentālo pētījumu sastāvdaļa korporatīvajā laboratorijā kļūst par stratēģisku priekšrocību. Tas jo īpaši attiecas uz augsto tehnoloģiju uzņēmumiem, kas ir atkarīgi no elektronikas sasniegumiem. Būs milzīgs ekonomisks atalgojums uzņēmumiem un valstīm, kas veiksmīgi izmanto nanometru mēroga struktūras un kvantu parādības skaitļošanas, komunikācijas un mērīšanas lietojumos. Tie visi joprojām ir fundamentālo pētījumu līmenī, taču tie būs tehnoloģiju pamati ilgi pirms es esmu gatavs doties pensijā. Uzņēmumi, kas nesekos notikumiem, vēlāk nespēs panākt. Fortune 100 pēc desmit gadiem izskatīsies daudz savādāk nekā tagad, un būtiska atšķirība būs investīcijas fundamentālajos pētījumos.

TR: Parunāsim par skaitļošanas nākotni konkrētāk. Jūs bieži atsaucaties uz silīcija bāzes skaitļošanas ierobežojumiem. Kādi ir tie ierobežojumi?
VILLIAMS: Nākamajā desmitgadē pusvadītāju nozare saskarsies ar diviem ļoti atšķirīgiem jautājumiem. Viens no tiem ir ekonomisks. Katras jaunās paaudzes silīcija mikroshēmas ražošanas rūpnīcu izmaksas ir pieaugušas par aptuveni divām reizēm ik pēc trim gadiem. 10 miljardu dolāru rūpnīca jeb fab nav tālu. Līdz 2010. gadam fab, visticamāk, maksās 30 miljardus USD. Otrs jautājums, kas ir viens no galvenajiem iemesliem pirmajam, ir tāds, ka uz silīcija bāzes izgatavoti tranzistori sāk piedzīvot dažus fundamentālus fizikas un materiālu ierobežojumus, jo tie kļūst arvien mazāki. Piemēram, lauka efekta tranzistora pārslēgšanai izmantoto elektronu skaits, kas ir mūsdienu datoru galvenais balsts, sarūk simtos, un, tā kļūstot daudz mazākam, radīsies nopietnas problēmas ar statistiskām svārstībām, kas varētu darboties nejauši. ieslēdziet un izslēdziet to. Ir arī problēmas, kas saistītas ar tradicionālās litogrāfijas fiziku [gaismas izmantošanu, lai iegravētu rakstus uz silīcija mikroshēmām], piemēram, kā precīzi novietot vafeles ar dažu nanometru precizitāti. Katrai no šīm problēmām ir tehnoloģisks labojums, kas var izspiest vēl vienu vai divas saraušanās paaudzes, taču fakts, ka tagad ir jārisina tik daudzas problēmas, ir gandrīz pārliecinošs.

TR: Vai uz silīciju balstīta tehnoloģija pēkšņi atdursies pret sienu?
VILLIAMS: No fizikas viedokļa nav iemeslu, kāpēc nozare nevarētu nonākt līdz 50 nanometriem mazām ierīcēm. Taču problēma ir tā, ka nokļūšana tur kļūst arvien grūtāka un arvien dārgāka. Tā vietā, lai mēģinātu spēlēt spēli, daudzi uzņēmumi pieņems ekonomisku lēmumu, ka viņi negatavos modernākās mikroshēmas. Es to sludinu jau kādu laiku, un pat esmu pārsteigts, cik ātri tas notiek. National Semiconductor — lūk, uzņēmums, kura nosaukumā ir pusvadītāji — vairs negatavos nākamās paaudzes mikroprocesorus. Faktiski Hewlett-Packard nesen paziņoja, ka tā uzlabotos procesorus būvēs lietuvēs (lietuves ir ražotnes, kas ražo ierīces uz līguma pamata). Galu galā pasaulē būs viens vai divi ražotnes, kas ražos vismodernākās ierīces, un šīs ražotnes, iespējams, lielā mērā finansēs valdības. Tas nozīmē, ka tas, visticamāk, nenotiks Amerikas Savienotajās Valstīs.

TR: Un cik ilgi tas prasīs ar šo ātrumu?
VILLIAMS: Es domāju, ka tas būs pirms 2012. gada. Tā ir liela vistas spēle. Kurš ir gatavs tērēt naudu jaunam izstrādājumam?

TR: Kā strauji augošās ražošanas izmaksas un tam sekojošā uzņēmumu ražošanas aiziešanas ietekme ietekmēs mikroelektroniku?
VILLIAMS: Cenas precēm, kuras mēs pērkam šodien, būtiski nepaaugstināsies, taču mēs neredzēsim dramatiskus veiktspējas uzlabojumus un silīcija ierīču izmaksu samazināšanos, ko esam redzējuši pagātnē. Un tas, ka tik daudzi lielie uzņēmumi izstājas no silīcija procesu izpētes, noteikti kādu laiku kaitēs inovācijām mikroelektronikā. Tomēr tas pavērs durvis arī daudziem mazajiem uzņēmējiem un izgudrotājiem, kuri vēlas radīt pilnīgi jaunas elektroniskās ierīces un ražošanas procesus. Es domāju, ka nākamā desmitgade nodrošinās vienu no lielākajiem radošuma sprādzieniem, ko esam redzējuši kopš tranzistora izgudrošanas.

TR: Jūs esat paredzējis, ka pie pašreizējā saraušanās ātruma uz silīciju balstītas ierīces sāks sasniegt fundamentālos ierobežojumus ap 2010. gadu. Runājot par jaunu tehnoloģiju atrašanu un izstrādi silīcija aizstāšanai, tas tiešām nav tik tālu nākotnē, vai ne?
VILLIAMS: Tas ir biedējoši tuvu. Vēl nav noteikta silīcija tehnoloģijas mantinieka. Lai līdz tam laikam būtu gatava jauna tehnoloģija, mums šobrīd ir smagi jāstrādā. Mums HP ir, mūsuprāt, diezgan labs kandidāts, taču es domāju, ka šīs valsts tehnoloģijām un nākotnes ekonomikai būtu daudz labāk, ja būtu vairāk nekā viens mantinieks, ja konkurētu vairākas grupas ar unikālām idejām. Ir dažas labas idejas, bet ar to nepietiek.

TR: Esmu pārsteigts, ka to nav vairāk, ņemot vērā to, kas ir uz spēles.
VILLIAMS: Liela daļa pētījumu notiek atsevišķu ierīču līmenī. Taču notiek ļoti maz arhitektūras mēroga darbu. Tā vietā, lai aplūkotu atsevišķas pamatvienības, mēs skatāmies uz visas ķēdes funkciju.

TR: Tā vietā, lai mēģinātu izgatavot lietas nanometru mērogā un pēc tam uztraukties par to, kā jūs varētu tās izmantot, jums jau ir prātā…
VILLIAMS: Iespējama vispārējā struktūra. Lielākā daļa cilvēku, kas strādā šajā jomā, būtībā mēģina izdomāt, kā izveidot molekulāro analogu esošai elektroniskai ierīcei; tad viņi cer, ka izdomās, kā savienot visas šīs lietas, lai izveidotu ķēdi vai sistēmu. Cilvēki būtībā smagi strādā, lai izveidotu vienu ķieģeli, un cer, ka pēc tā izveidošanas viņi varēs izdomāt, kā no tā kaut ko izveidot. No otras puses, mums ir visas ēkas arhitektoniskais rasējums, un mēs meklējam labākos materiālus šīs ēkas celtniecībai.

TR: Jūsu mērķis ir izmantot šo projektu, lai izveidotu pilnīgi jauna veida datoru, kas izgatavots, izmantojot ķīmiju, nevis litogrāfiju, vai ne?
VILLIAMS: Mūsu mērķis ir ražot ķēdes vienkāršos ķīmiskos tvaiku nosūcējos, izmantojot vārglāzes un parastās ķīmiskās procedūras. Tā vietā, lai ražotu neticami sarežģītas un nevainojamas ierīces, kurām ir vajadzīgas ļoti dārgas rūpnīcas, mēs ražotu ierīces, kas patiesībā ir ļoti vienkāršas un kurās var rasties ražošanas kļūdas. To izgatavošana būtu ārkārtīgi lēta, un lielākā daļa ekonomiskās vērtības būtu viņu programmās.

TR: Šķiet nedaudz pretrunīgi, ka veids, kā padarīt mikroelektroniku vēl mazāku un jaudīgāku, ir ļaut tai būt bojātiem.
VILLIAMS: Pirms gada mēs publicējām rakstu Zinātnē, kurā runājam par to, kas būs nepieciešams, lai izgatavotu datoru, izmantojot ķīmisko montāžu. Atbilde bija tāda, ka ir jābūt tādai skaitļošanas arhitektūrai, kas ļautu sistēmām būt daudz ražošanas defektu, daudz kļūdu. Mēs to saucam par arhitektūru par defektu tolerantu. Mēs apspriedām Hewlett-Packard datora ar nosaukumu Teramac piemēru. Tas ir mūsu datora arhetips; mēs domājam, ka nākotnē lietām, kuru pamatā ir molekulārā mēroga vai nanometru mēroga objekti, to organizēšanas principos būs jābūt šiem defektiem izturīgiem dizainparaugiem, jo ​​​​tiks mazas lietas perfekti izgatavot nebūs iespējams.

TR: Pastāstiet mums nedaudz par jūsu intereses par Teramac izcelsmi.
VILLIAMS: Džeimss Hīts, UCLA ķīmijas profesors, un es pavadījām vismaz pusotru gadu, pētot to, pirms bijām gatavi kaut ko būvēt. Mums bija vairākas diskusijas ar HP datoru arhitektu Filipu Kukesu par defektu toleranci, un Fils sāka runāt ar mums par šo datoru, kuru viņš bija palīdzējis uzbūvēt. Viņi bija nolēmuši to izveidot no nepilnīgiem vai bojātiem silīcija komponentiem, jo ​​tie būtu daudz lētāki, un tikai risināt visas problēmas, kas radušās, izmantojot gudru programmatūru.

TR: Citiem vārdiem sakot, jūs maksājat par materiāla pilnību.
VILLIAMS: Pilnīgi noteikti. Pilnība maksā daudz naudas. Un, kļūstot arvien sarežģītākam, pilnības izmaksas kļūst arvien augstākas. Tas ir galvenais iemesls, kāpēc audumu izmaksas pieaug eksponenciāli. Mēs sakām, ka, ja mēs varam izgatavot lietas, kas ir nepilnīgas, bet joprojām darbojas nevainojami, mēs varam tās uzbūvēt daudz lētāk.

TR: Kā panākt, lai kaut kas nepilnīgs darbotos nevainojami?
VILLIAMS: Teramac arhitektūra balstās uz ļoti regulārām struktūrām, ko sauc par šķērsstieņiem, kas ļauj savienot jebkuru ieeju ar jebkuru izvadi. Ja kāds konkrēts sistēmas slēdzis vai vads ir bojāts, varat to novirzīt. Jūs varat izvairīties no problēmām. Izrādījās, ka Teramac bija milzīgs bonuss. Tas ne tikai spēj kompensēt ražošanas kļūdas, bet arī Teramac var ļoti ātri ieprogrammēt, un tas izpildīja šīs programmas ar pārsteidzošu ātrumu, jo tam bija milzīgs sakaru joslas platums.

TR: Kā uzbūvēts, Teramac izmanto silīcija mikroshēmas, lai gan tās ir bojātas. Bet jūs interesē šīs arhitektūras izmantošana, lai izveidotu datoru, izmantojot ķīmiskos procesus. Kāpēc tas ir tik daudzsološs šim pieteikumam?
VILLIAMS: Teramac tika izveidots kā rīks, lai demonstrētu defektu tolerances lietderību sarežģītu sistēmu celtniecībā lētāk. Lai gan tas bija veiksmīgs, galddatora Teramac vēl nav ekonomiski dzīvotspējīgs. Iespējams, ka Teramac līdzīgas arhitektūras palīdzēs paplašināt silīcija integrālās shēmas par vienu paaudzi, padarot to izgatavošanu lētāku, taču mēs redzam šīs arhitektūras milzīgo potenciālu integrālo shēmu ķīmiskajā ražošanā. Ierīču salikšana un pasūtīšana ar ķīmiskiem līdzekļiem būs process, kurā var rasties kļūdas. Tomēr tagad mums ir pierādījums, ka ļoti bojāta sistēma var darboties nevainojami.

TR: Šī faktiskā arhitektūra varētu nodrošināt reālu veidu, kā veikt skaitļošanu?
VILLIAMS: Tas ir īsts. Aparatūra tika uzbūvēta, pārbaudīta un ieprogrammēta. Jēdzieni ir ļoti labi saprotami un ļoti stabili. Tagad visa šī visa otrais posms ir noskaidrot, vai mēs varam izmantot idejas, kas izriet no nanotehnoloģiju fundamentālajiem pētījumiem – pašmontāžas idejas, konstruējot mazas regulāras vienības, izmantojot ķīmiskas procedūras, lai faktiski izveidotu kaut ko noderīgu. Mūsu šī jūlija zinātniskais raksts, mūsuprāt, ir pirmais lielais solis šajā virzienā, jo mēs parādām, ka molekulārā elektroniskā pārslēgšanās ir iespējama.

TR: Ko tālāk?
VILLIAMS: Divu gadu laikā mēs ceram ķīmiski samontēt funkcionējošu 16 bitu atmiņu, kas ietilps 100 nanometru kvadrātā vienā pusē. Mūsdienās viens bits silīcija atmiņā ir daudz lielāks par kvadrātmikrometru. Tātad, mēs meklējam atmiņas blīvuma palielinājumu vismaz trīs kārtās. Mūsu ilgtermiņa mērķis, atklāti sakot, ir izveidot visu datoru, izmantojot tikai ķīmiskus procesus. Šis konkrētais mērķis ir pēc 10 gadiem, ja viss noritēs labi, un pat tad mēs izveidosim diezgan vienkāršas shēmas. Bet kaut kur tam jāsāk.

paslēpties