Computeren na silicium

Vier jaar geleden maakten UCLA-professor scheikunde R. Stanley Williams en computergigant Hewlett-Packard (HP) tegelijkertijd tussentijdse veranderingen. Het bedrijf was uitgegroeid tot een van 's werelds toonaangevende computer- en microprocessormakers, maar had nog geen fundamentele onderzoeksgroep. Williams had de afgelopen vijftien jaar in de academische wereld doorgebracht en was bang dat hij het contact met de realiteit van het bedrijf zou verliezen (eerder in zijn carrière had hij een aantal jaren bij Bell Laboratories gewerkt). De oplossing: een fundamenteel onderzoekslaboratorium bij HP onder leiding van Williams.

Als hoofd van het lab is de grootste zorg van Williams de toekomst van de computer. De voortschrijdende miniaturisering van op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingen heeft geleid tot kleinere, goedkopere en krachtigere machines. State-of-the-art chips hebben nu eigenschappen zo klein als enkele honderden nanometers in doorsnee (een nanometer is een miljardste van een meter). Dat is klein. Maar volgens de berekeningen van Williams zal het vermogen om op silicium gebaseerde apparaten te blijven verkleinen waarschijnlijk ergens rond 2010 tot stilstand komen. Dergelijke voorspellingen zijn nauwelijks schokkend - andere Silicon Valley-experts zijn tot vergelijkbare conclusies gekomen. Wat verrassend is, is dat Williams gelooft dat hij en zijn medewerkers bij HP en UCLA een oplossing hebben gevonden: een levensvatbare erfgenaam van silicium.

Als Williams gelijk heeft, zal computergebruik op een dag vertrouwen op componenten op nanometerschaal die goedkoop en gemakkelijk te monteren zijn met behulp van eenvoudige chemie. In plaats van de huidige techniek van het nauwkeurig snijden van kenmerken op siliciumchips om complexe en bijna perfecte patronen te creëren, dopen technici substraten in vaten met chemicaliën. En als de mix goed is, zullen draden en schakelaars zichzelf chemisch assembleren uit deze materialen. Het zou kleine, goedkope en enorm krachtige computers mogelijk maken. Dit is een fascinerende visie. Toch staan ​​Silicon Valley (en de populaire pers) tenslotte vol fascinerende visies op de toekomst van computers. Wat de brouwsels die Williams bij HP bedenkt aantrekkelijker maakt, is dat het niet alleen maar ideeën zijn. Vorig jaar publiceerden Williams en zijn collega's een rapport in Science waarin ze een computerarchitectuur beschrijven die chemisch geassembleerde circuits haalbaar zou kunnen maken; en in juli publiceerde de groep een tweede Science-paper, dit keer waarin de synthese van een eerste potentiële component van hun computermoleculaire elektronische schakelaars wordt beschreven. De resultaten haalden de krantenkoppen in het hele land.

In de weken voor de media-razernij, KINDEREN Hoofdredacteur David Rotman praatte met Williams over computergebruik na silicium, fundamenteel onderzoek in hightechbedrijven en zijn eigen persoonlijke overgang van de universiteit naar de particuliere sector.

TR: Je kwam in 1995 naar HP om een ​​fundamenteel onderzoekslaboratorium op te richten nadat je professor was aan de UCLA. Wat was je missie?
WILLIAMS: Hewlett-Packard heeft nooit echt een fundamentele onderzoeksgroep gehad. In het verleden waren er discussies binnen HP waarin mensen zeiden: we zouden eigenlijk meer fundamenteel onderzoek moeten doen, we zouden eigenlijk op de een of andere manier kennis moeten teruggeven aan de bron, dat soort filosofische discussies. En er waren altijd een paar mensen die fundamenteel werk deden. Maar HP realiseerde zich dat het een aparte groep moest creëren die meer geïsoleerd was van de dagelijkse eisen van productonderzoek om een ​​volgehouden inspanning te kunnen leveren. Er werd contact met mij opgenomen en er werd mij gevraagd of ik geïnteresseerd zou zijn in het opstarten van een basisonderzoeksgroep. Ik was er vast van overtuigd, en in feite geloof ik nu nog sterker, dat fundamenteel onderzoek echt waarde heeft voor een bedrijf.

TR: Hoe toon je die waarde aan?
WILLEMS: Er zijn verschillende manieren. Een daarvan is om een ​​visie te geven over hoe elektronica en computers eruit zullen zien over een tijdsbestek van 10 jaar. We treden ook op als technologieradar. Vaak horen we eerder dan de mensen in de loopgraven over ontwikkelingen en kunnen we ze waarschuwen dat er interessante kansen of misschien bedreigingen op komst zijn. We werken ook aan zulke fundamentele problemen dat als we erin slagen de uitbetaling voor het bedrijf enorm zal zijn. En ze weten het. Elke intelligente beleggingsportefeuille heeft een paar afstanden.

TR: Zijn de dingen verlopen zoals je had verwacht sinds de start van het lab?
WILLEMS: Toen ik bij HP kwam, had ik zeer vage ideeën over de elektronica van de toekomst. Nu hebben we een stappenplan. Dat is geweldig geweest. Er zijn een paar dingen die niet zijn gegaan zoals ik had verwacht. Ik had gehoopt op meerdere gezamenlijke onderzoeksprojecten met de meer toegepaste labs. Ook al zijn de onderzoekers zelf geïnteresseerd om met ons samen te werken en moedigen hun managers hen aan om dat te doen, maar als mensen deadlines moeten halen, kunnen die samenwerkingen niet worden volgehouden. Een ander probleem is dat we met veel economisch cruciale projecten hebben geconcurreerd om financiering en dat het basisonderzoek dus niet zo snel is gegroeid als werd gedacht toen ik werd aangenomen. We beginnen net een beetje te groeien.

TR: Hoe goed doet de hightech-industrie het in het uitvoeren van fundamenteel onderzoek? Bereikt het de juiste balans tussen het verstrekken van fundamentele wetenschap en het bewaken van de bottom line?
WILLEMS: In het algemeen, nee. In de huidige meedogenloze concurrentieomgeving kan elk hightechbedrijf binnen drie jaar failliet gaan, of aanzienlijk minder met de introductie van internettijd. Het is heel moeilijk om aandacht te besteden aan de lange termijn, die voor de raad van bestuur van sommige bedrijven het kwartaal na het volgende is. Zelfs in onderzoekslaboratoria van bedrijven heeft de druk om beter op één lijn te komen met productdivisies, onderzoeks- en ontwikkelingscycli te verkorten en dagelijkse branden te bestrijden, het beeld van de meeste managers en onderzoekers doen instorten tot slechts een paar jaar geleden.

TR: Wat betekent dat voor de computerindustrie?
WILLEMS: Ik denk dat het hebben van een sterke basisonderzoekscomponent in een bedrijfslaboratorium een ​​strategisch voordeel wordt. Dit is vooral het geval voor de hightechbedrijven die afhankelijk zijn van de vooruitgang in de elektronica. Er zal een enorme economische beloning zijn voor de bedrijven en landen die erin slagen structuren op nanometerschaal en kwantumverschijnselen te benutten voor reken-, communicatie- en meettoepassingen. Deze bevinden zich allemaal nog op het niveau van fundamenteel onderzoek, maar ze zullen de basis van technologie zijn lang voordat ik klaar ben om met pensioen te gaan. Bedrijven die de ontwikkelingen niet volgen, kunnen dat later niet meer inhalen. De Fortune 100 zal er over tien jaar heel anders uitzien dan nu, en een belangrijke onderscheidende factor zullen investeringen in fundamenteel onderzoek zijn.

TR: Laten we het meer specifiek hebben over de toekomst van computers. U verwijst vaak naar de grenzen van op silicium gebaseerde computers. Wat zijn die limieten?
WILLEMS: Er zijn twee heel verschillende problemen waarmee de halfgeleiderindustrie het komende decennium wordt geconfronteerd. Een daarvan is economisch. De kosten van het bouwen van fabrieken om elke nieuwe generatie siliciumchips te fabriceren, nemen elke drie jaar met een factor twee toe. Een fabricagefabriek van $ 10 miljard, of fab, is niet ver weg. Tegen 2010 zal een fab waarschijnlijk $ 30 miljard kosten. Het tweede probleem, een van de belangrijkste redenen voor het eerste, is dat op silicium gebaseerde transistors een aantal fundamentele beperkingen op het gebied van fysica en materialen beginnen te ervaren naarmate ze kleiner en kleiner worden. Het aantal elektronen dat bijvoorbeeld wordt gebruikt om een ​​veldeffecttransistor - de steunpilaar van de hedendaagse computers - aan en uit te schakelen, loopt in de honderden, en naarmate dat veel lager wordt, zullen er ernstige problemen ontstaan ​​met statistische fluctuaties die willekeurig zouden kunnen werken. zet het aan en uit. Er zijn ook de problemen die verband houden met de fysica van traditionele lithografie [het gebruik van licht om patronen op siliciumchips te etsen], zoals het nauwkeurig positioneren van wafers met een precisie van enkele nanometers. Elk van deze problemen heeft een technologische oplossing die een of twee generaties krimp kan wegdrukken, maar het feit dat er nu zoveel problemen tegelijk moeten worden aangepakt, is bijna overweldigend.

TR: Zal op silicium gebaseerde technologie plotseling een muur raken?
WILLEMS: Vanuit natuurkundig oogpunt zijn er geen redenen waarom de industrie niet tot apparaten van slechts 50 nanometer zou kunnen komen. Maar het probleem is dat het steeds uitdagender en duurder wordt om daar te komen. In plaats van te proberen het spel te spelen, zullen veel bedrijven een economische beslissing nemen dat ze geen state-of-the-art chips gaan maken. Ik predik dit al een tijdje, en zelfs ik ben verbaasd over hoe snel dit gebeurt. National Semiconductor - hier is een bedrijf met het recht op halfgeleiders in zijn naam - gaat geen microprocessors van de volgende generatie meer maken. Hewlett-Packard heeft onlangs aangekondigd dat het zijn geavanceerde processors in een gieterij zal laten bouwen (gieterijen zijn fabrieken die apparaten op contractbasis produceren). Uiteindelijk zullen er een of twee fabrieken in de wereld zijn die apparaten bouwen volgens de stand van de techniek, en die fabrieken zullen waarschijnlijk voor een groot deel door regeringen worden gefinancierd. Wat betekent dat het waarschijnlijk niet zal gebeuren in de Verenigde Staten.

TR: En hoe lang duurt dat in dit tempo?
WILLEMS: Mijn gok is dat het voor 2012 zal zijn. Het is een groot kippenspel. Wie is bereid het geld uit te geven voor een nieuwe fab?

TR: Hoe zullen de snel stijgende productiekosten, en het daaropvolgende effect van bedrijven die de productie verlaten, de micro-elektronica beïnvloeden?
WILLEMS: De prijzen voor de artikelen die we vandaag kopen, zullen niet substantieel stijgen, maar we zullen de dramatische verbeteringen in prestaties en kostendalingen voor op silicium gebaseerde apparaten niet zien die we in het verleden hebben gezien. En het feit dat zoveel grote bedrijven uit onderzoek naar siliciumprocessen stappen, zal de innovatie in micro-elektronica zeker een tijdje schaden. Dit zal echter ook de deur openen voor veel kleinschalige ondernemers en uitvinders die op zoek zijn naar geheel nieuwe elektronische apparaten en fabricageprocessen. Ik denk dat het volgende decennium een ​​van de grootste explosies van creativiteit zal opleveren die we hebben gezien sinds de uitvinding van de transistor.

TR: U hebt voorspeld dat, met het huidige tempo van krimp, op silicium gebaseerde apparaten rond 2010 fundamentele limieten zullen bereiken. Wat betreft het vinden en ontwikkelen van nieuwe technologieën om silicium te vervangen, is het echt niet zo ver in de toekomst, toch?
WILLEMS: Het is angstaanjagend dichtbij. Er is nog geen definitieve erfgenaam van de siliciumtechnologie. Om tegen die tijd een nieuwe technologie klaar te hebben, moeten we nu hard werken. Bij HP hebben we een naar onze mening een behoorlijk goede kandidaat, maar ik denk dat technologie en de toekomstige economie van dit land veel beter af zouden zijn als er meer dan één erfgenaam was, als er verschillende groepen met unieke ideeën zouden strijden. Er zijn een paar goede ideeën, maar niet genoeg.

TR: Het verbaast me dat er niet meer zijn, gezien wat er op het spel staat.
WILLEMS: Veel van het onderzoek bevindt zich op het niveau van discrete apparaten. Maar er is heel weinig werk op architecturale schaal aan de hand. In plaats van naar discrete basiseenheden te kijken, kijken we naar de functie van een hele schakeling.

TR: In plaats van te proberen dingen op nanometerschaal te maken en je vervolgens zorgen te maken over hoe je ze zou kunnen gebruiken, heb je al in gedachten...
WILLEMS: Een potentiële algemene structuur. De meeste mensen die op dit gebied werken, proberen in wezen uit te vinden hoe ze een moleculair analoog kunnen maken van een bestaand elektronisch apparaat; dan hopen ze dat ze erachter zullen komen hoe ze al deze dingen kunnen verbinden om een ​​circuit of een systeem te maken. Mensen werken in wezen hard om één enkele steen te maken en hopen dat ze, als ze die eenmaal hebben gemaakt, kunnen bedenken hoe ze er iets van kunnen bouwen. Aan de andere kant hebben we de bouwkundige tekening van het hele gebouw en zijn we op zoek naar de beste materialen om dat gebouw te bouwen.

TR: Het is uw ambitie om deze blauwdruk te gebruiken om een ​​geheel nieuw type computer te bouwen, een computer die is gefabriceerd met behulp van chemie in plaats van lithografie, nietwaar?
WILLEMS: Ons doel is om circuits te vervaardigen in eenvoudige chemische zuurkasten met behulp van bekers en normale chemische procedures. In plaats van ongelooflijk complexe en perfecte apparaten te maken waarvoor zeer dure fabrieken nodig zijn, zouden we apparaten maken die eigenlijk heel eenvoudig zijn en vatbaar voor fabricagefouten. Ze zouden buitengewoon goedkoop zijn om te maken, en de meeste economische waarde zou in hun programmering zitten.

TR: Het lijkt enigszins contra-intuïtief dat de manier om micro-elektronica nog kleiner en krachtiger te maken, is door ze defect te laten zijn.
WILLEMS: Een jaar geleden publiceerden we een paper in Science waarin we praten over wat er nodig is om een ​​computer te maken met behulp van chemische assemblage. Het antwoord was dat je een computerarchitectuur nodig hebt waarmee de systemen veel fabricagefouten en veel fouten kunnen hebben. We noemen dat architectuur defecttolerant. We hebben een voorbeeld besproken van een computer die hier bij Hewlett-Packard is gebouwd, Teramac genaamd. Dit is ons computerarchetype; we denken dat in de toekomst dingen die gebaseerd zijn op objecten op moleculaire schaal of nanometerschaal, als onderdeel van hun organisatieprincipes deze defecttolerante ontwerpen zullen moeten hebben, omdat het onmogelijk zal zijn om zulke kleine dingen perfect te maken.

TR: Vertel ons iets over de oorsprong van uw interesse in Teramac.
WILLEMS: James Heath, een UCLA-professor scheikunde, en ik hebben het minstens anderhalf jaar bestudeerd voordat we klaar waren om iets te bouwen. We hadden een reeks gesprekken met een computerarchitect bij HP, Philip Kuekes, over tolerantie voor defecten, en Phil begon met ons te praten over deze computer die hij had helpen bouwen. Ze hadden besloten om het te bouwen van onvolmaakte of defecte siliconencomponenten, omdat die veel goedkoper zouden zijn, en alle problemen die zich voordeden door slimme software te gebruiken.

TR: Met andere woorden, u betaalt voor de perfectie van een materiaal.
WILLEMS: Absoluut. Perfectie kost veel geld. En naarmate je complexer wordt, worden de kosten van perfectie steeds hoger. Dat is de belangrijkste reden waarom de kosten van fabs exponentieel stijgen. Wat we zeggen is dat als we dingen kunnen maken die onvolmaakt zijn maar nog steeds perfect werken, we ze veel goedkoper kunnen bouwen.

TR: Hoe laat je iets dat onvolmaakt is perfect werken?
WILLEMS: Teramac heeft een architectuur die steunt op zeer regelmatige structuren, crossbars genaamd, waarmee je elke input met elke output kunt verbinden. Als een bepaalde schakelaar of draad in het systeem defect is, kunt u er omheen routeren. U kunt de problemen vermijden. Het bleek dat Teramac een enorme bonus had. Het is niet alleen in staat om fabricagefouten te compenseren, maar Teramac kon ook zeer snel worden geprogrammeerd en het voerde die programma's met een verblindende snelheid uit omdat het deze enorme communicatiebandbreedte had.

TR: Zoals geconstrueerd, gebruikt Teramac siliciumchips, zij het defecte. Maar uw interesse ligt bij het gebruik van deze architectuur om een ​​computer te bouwen met behulp van chemische processen. Waarom is het zo veelbelovend voor die toepassing?
WILLEMS: Teramac is gebouwd als een hulpmiddel om het nut van defecttolerantie aan te tonen voor het goedkoper bouwen van complexe systemen. Ook al was het een succes, een desktop Teramac is nog niet economisch haalbaar. Het kan zijn dat Teramac-achtige architecturen zullen helpen om silicium-geïntegreerde schakelingen een generatie of zo uit te breiden door fabs goedkoper te maken om te bouwen, maar we zien het enorme potentieel voor deze architectuur in de chemische fabricage van geïntegreerde schakelingen. Apparaten in elkaar zetten en ze met chemische middelen bestellen, is een inherent foutgevoelig proces. We hebben nu echter het bewijs dat een zeer defect systeem perfect kan werken.

TR: Deze daadwerkelijke architectuur zou een daadwerkelijke manier kunnen bieden om aan computergebruik te doen?
WILLEMS: Het is echt. De hardware is gebouwd, getest en geprogrammeerd. De concepten zijn zeer goed begrepen en zeer robuust. De tweede fase van dit alles is om te zien of we de ideeën die voortkomen uit fundamenteel onderzoek in nanotechnologie - de ideeën van zelfassemblage, het construeren van kleine reguliere eenheden met behulp van chemische procedures - kunnen gebruiken om daadwerkelijk iets te maken dat nuttig zou zijn. Ons wetenschappelijke artikel van juli is, naar onze mening, de eerste grote stap in die richting door aan te tonen dat moleculair elektronisch schakelen mogelijk is.

TR: Wat is het volgende?
WILLEMS: Binnen twee jaar hopen we chemisch een operationeel 16-bits geheugen te assembleren dat in een vierkant van 100 nanometer aan een kant past. Tegenwoordig is één bit in een siliciumgeheugen veel groter dan een vierkante micrometer. We zijn dus op zoek naar een schaalvergroting van ten minste drie ordes van grootte in geheugendichtheid. Ons doel op de langere termijn is eerlijk gezegd om een ​​complete computer te bouwen met alleen maar chemische processen. Dat specifieke doel is over 10 jaar als alles goed gaat, en zelfs dan zullen we vrij eenvoudige circuits maken. Maar het moet ergens beginnen.

zich verstoppen