Co se stalo s počítáním DNA?

Když byl v roce 1947 vytvořen první tranzistor, jen málokdo si dokázal představit konečný dopad tohoto zařízení – spínače, který leží v srdci logických čipů.

Za skvělé převzetí výpočetní techniky vděčíme křemíku. Přidejte k prvku nepatrnou špetku nečistot a křemík vytvoří materiál téměř ideální pro tranzistory v počítačových čipech.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2021

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Po více než pět desetiletí inženýři znovu a znovu zmenšovali tranzistory na bázi křemíku, čímž postupně vytvářeli menší, rychlejší a energeticky účinnější počítače. Ale dlouhá technologická vítězná série – a miniaturizace, která to umožnila – nemůže trvat věčně. Je potřeba technologie, která by porazila křemík, protože u něj dosahujeme obrovských omezení, říká Nicholas Malaya, počítačový vědec z AMD v Kalifornii.

Jaká by mohla být tato nástupnická technologie? Za posledních 50 let nebyl nedostatek alternativních počítačových přístupů. Zde je pět těch nezapomenutelnějších. Všichni měli spoustu humbuku, jen je porazil křemík. Ale snad pro ně ještě existuje naděje.

Spintronika

Počítačové čipy jsou postaveny na strategiích řízení toku elektronů – konkrétněji jejich náboje. Kromě náboje však mají elektrony také moment hybnosti neboli spin, se kterým lze manipulovat pomocí magnetických polí. Spintronics se objevila v 80. letech s myšlenkou, že spin lze použít k reprezentaci bitů : jeden směr může představovat jeden a ostatní 0 .

Teoreticky mohou být spintronické tranzistory malé, což umožňuje hustě zabalené čipy. Ale v praxi bylo těžké najít ty správné látky k jejich konstrukci. Výzkumníci říkají, že je ještě potřeba dopracovat mnoho základních materiálových věd.

Nicméně spintronické technologie byly komercializovány v několika velmi specifických oblastech, říká Gregory Fuchs, aplikovaný fyzik na Cornellově univerzitě v Ithace v New Yorku. Doposud největším úspěchem pro spintronics byla energeticky nezávislá paměť, druh, který zabraňuje ztrátě dat v případě výpadku napájení. STT-RAM (pro paměť s náhodným přístupem k přenosu momentu otáčení) se vyrábí od roku 2012 a lze ji nalézt v cloudových úložištích.

Memristory

Klasická elektronika je založena na třech součástech: kondenzátor, rezistor a induktor. V roce 1971 elektrotechnik Leon Chua teoretizoval čtvrtou součást, kterou nazval memristor, pro paměťový odpor. V roce 2008 vyvinuli výzkumníci společnosti Hewlett-Packard první praktický memristor využívající oxid titaničitý.

Bylo to vzrušující, protože memristory lze teoreticky použít jak pro paměť, tak pro logiku. Zařízení si pamatují poslední přiložené napětí, takže si uchovávají informace, i když jsou vypnuté. Od běžných rezistorů se také liší tím, že jejich odpor se může měnit v závislosti na velikosti použitého napětí. Takovou modulaci lze použít k provádění logických operací. Pokud se tyto operace provádějí v paměti počítače, mohou snížit množství dat, které je třeba přenést mezi pamětí a procesorem.

Memristory si odbyly svůj komerční debut jako energeticky nezávislé úložiště, nazývané RRAM nebo ReRAM, pro odporovou paměť s náhodným přístupem. Ale obor jde stále dopředu. V roce 2019 výzkumníci vyvinuli čip s 5 832 memristory, který lze použít pro umělou inteligenci.

Uhlíkové nanotrubice

Uhlík není ideální polovodič. Ale za správných podmínek z něj lze vytvořit nanotrubice, které jsou vynikající. Uhlíkové nanotrubice byly poprvé vytvořeny do tranzistorů na počátku 2000 a studie ukázaly, že by mohly být 10 krát energeticky účinnější než křemík.

Ve skutečnosti z pěti alternativních tranzistorů, o kterých se zde diskutuje, mohou být uhlíkové nanotrubice nejdále. v 2013 , Stanfordští vědci sestrojili první funkční počítač na světě poháněné výhradně uhlíkovými nanotrubkovými tranzistory , i když jednoduchý.

Ale uhlíkové nanotrubice mají tendenci se srolovat do malých kuliček a shlukovat se jako špagety. A co víc, většina konvenčních metod syntézy vytváří z polovodičových a kovových nanotrubic chaotický mix. Materiáloví vědci a inženýři zkoumali způsoby, jak tyto nedokonalosti napravit a obejít. V roce 2019 výzkumníci MIT použili vylepšené techniky vyrobit 16bitový mikroprocesor s více než 14 000 uhlíkovými nanotrubkovými tranzistory . To je stále daleko od křemíkového čipu s miliony nebo miliardami tranzistorů, ale přesto je to pokrok.

DNA počítání

V roce 1994 Leonard Adleman, počítačový vědec z University of Southern California v Los Angeles, vytvořil počítač z polévky DNA. Ukázal, že DNA se může sama sestavit ve zkumavce, aby prozkoumala všechny možné cesty slavného problému cestujících obchodníků. Odborníci předpovídali, že výpočet DNA by mohl porazit technologie na bázi křemíku, zejména s masivně paralelními výpočty. Později vědci došli k závěru, že výpočet DNA na to není dostatečně rychlý.

Ale DNA má některé výhody. Výzkumníci prokázali, že je možné kódovat poezie , GIFy a digitální filmy do molekul. Potenciální hustota je ohromující. Všechna světová digitální data by mohla být uložena v hrnku na kávu plném DNA, biologičtí inženýři na MIT odhaduje v dokumentu z počátku tohoto roku. Háček je v ceně: jeden spoluautor později řekl, že syntéza DNA by musela být o šest řádů levnější, aby mohla konkurovat magnetické pásce.

Pokud výzkumníci nedokážou snížit náklady na skladování DNA, materiál života zůstane uvíznutý v buňkách.

Molekulární elektronika

Je to přesvědčivá vize: tranzistory jsou stále menší a menší, tak proč neskočit dopředu a nevydělat z jednotlivých molekul ? Přepínače v nanometrovém měřítku by vytvořily mimořádně nákladově efektivní, hustě zabalený čip. Čipy by se díky tomu mohly dokonce samy sestavit interakce mezi molekulami .

Skupiny v Hewlett-Packard a jinde na počátku 21. století závodily ve vzájemné spolupráci chemie a elektroniky.

Ale po desetiletích práce je sen o molekulární elektronice stále jen takový. Výzkumníci zjistili, že jednotlivé molekuly mohou být vybíravé a fungují jako tranzistory jen za velmi úzkých podmínek. Nikdo neukázal, jak lze zařízení s jednou molekulou spolehlivě integrovat do masivně paralelní mikroelektroniky, říká Richard McCreery, chemik z University of Alberta.

Sen o molekulární elektronice zcela nezemřel, ale v dnešní době je z velké části odsunut do chemických a fyzikálních laboratoří, kde výzkumníci pokračují snaží se vytvářet nekonečně vrtkavé molekuly chovat se.

co přijde dál?

Křemík stále kraluje, ale čas se krátí pro všechny oblíbené polovodiče. Poslední Mezinárodní plán pro zařízení a systémy (IRDS) naznačuje, že se očekává, že tranzistory se po roce 2028 přestanou zmenšovat a že integrované obvody budou muset být naskládány do tří rozměrů, aby bylo možné vyrábět rychlejší a efektivnější čipy.

To může být čas, kdy jiná výpočetní zařízení najdou prostor, ale pouze ve spojení s křemíkovou technologií. Výzkumníci zkoumají hybridní přístupy k výrobě čipů. V roce 2017 výzkumníci, kteří pokročili s uhlíkovými nanotrubičkovými tranzistory, je integrovali s vrstvami energeticky nezávislých memristorů a křemíkových zařízení – prototyp pro přístup ke zlepšení rychlosti a spotřeby energie ve výpočetní technice odklonem od tradiční architektury.

Klasické čipy na bázi křemíku stále udělají určitý pokrok, říká Malaya z AMD. Ale dodává, myslím si, že budoucnost bude heterogenní, ve které budou všechny technologie pravděpodobně používány komplementárně k tradičním počítačům.

Jinými slovy, budoucnost bude stále křemíková. Ale budou to i jiné věci.

Lakshmi Chandrasekaran je vědecká spisovatelka na volné noze se sídlem v Chicagu .

skrýt