Wat is er met DNA-computing gebeurd?

Toen de eerste transistor in 1947 werd gemaakt, hadden maar weinigen zich de uiteindelijke impact van dit apparaat kunnen voorstellen - de schakelaar die de kern vormt van logische chips.

We hebben silicium te danken voor de geweldige overname van computers. Voeg een miniem snufje onzuiverheden toe aan het element en silicium vormt een materiaal dat bijna ideaal is voor transistors in computerchips.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2021

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Al meer dan vijf decennia hebben ingenieurs op silicium gebaseerde transistors keer op keer gekrompen, waardoor ze steeds kleinere, snellere en energiezuinigere computers hebben gecreëerd. Maar de lange technologische zegereeks - en de miniaturisering die het mogelijk heeft gemaakt - kan niet eeuwig duren. Er is behoefte aan technologie om silicium te verslaan, omdat we er enorme beperkingen op aantreffen, zegt Nicholas Malaya, een computerwetenschapper bij AMD in Californië.

Wat zou deze opvolgertechnologie kunnen zijn? Er is de afgelopen 50 jaar geen tekort geweest aan alternatieve computerbenaderingen. Hier zijn vijf van de meest memorabele. Ze hadden allemaal veel hype, alleen om te worden verslagen door silicium. Maar misschien is er nog hoop voor hen.

Spintronica

Computerchips zijn gebouwd rond strategieën om de stroom van elektronen te regelen, meer bepaald hun lading. Naast lading hebben elektronen echter ook een impulsmoment, of spin, dat kan worden gemanipuleerd met magnetische velden. Spintronics ontstond in de jaren tachtig, met het idee dat: spin kan worden gebruikt om bits weer te geven : één richting zou kunnen vertegenwoordigen een en de andere 0 .

In theorie kunnen spintronische transistors klein worden gemaakt, waardoor dicht opeengepakte chips mogelijk zijn. Maar in de praktijk was het moeilijk om de juiste stoffen te vinden om ze te construeren. Onderzoekers zeggen dat er nog veel basismateriaalwetenschap moet worden uitgewerkt.

Desalniettemin zijn spintronische technologieën op een paar zeer specifieke gebieden gecommercialiseerd, zegt Gregory Fuchs, een toegepast natuurkundige aan de Cornell University in Ithaca, New York. Het grootste succes voor spintronica tot nu toe is niet-vluchtig geheugen, het soort geheugen dat gegevensverlies bij stroomuitval voorkomt. STT-RAM (voor spin transfer torque random access memory) is in productie sinds 2012 en is te vinden in cloudopslagfaciliteiten.

memristors

Klassieke elektronica is gebaseerd op drie componenten: condensator, weerstand en spoel. In 1971 theoretiseerde de elektrotechnisch ingenieur Leon Chua een vierde component die hij de memristor noemde, voor geheugenweerstand. In 2008 ontwikkelden onderzoekers van Hewlett-Packard de eerste praktische memristor, gebruikmakend van titaniumdioxide.

Het was spannend omdat memristors in theorie kunnen worden gebruikt voor zowel geheugen als logica. De apparaten onthouden de laatst aangelegde spanning, zodat ze informatie vasthouden, zelfs als ze zijn uitgeschakeld. Ze verschillen ook van gewone weerstanden doordat hun weerstand kan veranderen afhankelijk van de hoeveelheid aangelegde spanning. Een dergelijke modulatie kan worden gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren. Als ze in het geheugen van een computer worden uitgevoerd, kunnen die bewerkingen de hoeveelheid gegevens die tussen het geheugen en de processor moet worden gependeld, verminderen.

Memristors maakten hun commerciële debuut als niet-vluchtige opslag, RRAM of ReRAM genaamd, voor resistief willekeurig toegankelijk geheugen. Maar het veld gaat nog steeds vooruit. In 2019 ontwikkelden onderzoekers een 5.832 memristorchip die kan worden gebruikt voor kunstmatige intelligentie.

Koolstof nanobuisjes

Koolstof is geen ideale halfgeleider. Maar onder de juiste omstandigheden kan het worden gemaakt om nanobuisjes te vormen die uitstekend zijn. Koolstofnanobuisjes werden in het begin van de jaren 2000 voor het eerst in transistors verwerkt, en onderzoeken hebben aangetoond dat dit mogelijk is 10 keer energiezuiniger dan silicium.

Van de vijf alternatieve transistors die hier worden besproken, zijn koolstofnanobuisjes misschien wel het verst. In 2013 , hebben Stanford-onderzoekers 's werelds eerste functionele computer gebouwd volledig aangedreven door koolstofnanobuistransistors , zij het een simpele.

Maar koolstofnanobuisjes hebben de neiging om in kleine balletjes te rollen en samen te klonteren als spaghetti. Bovendien maken de meeste conventionele synthesemethoden halfgeleidende en metalen nanobuisjes in een rommelige mix. Materiaalwetenschappers en ingenieurs hebben manieren onderzocht om deze onvolkomenheden te corrigeren en te omzeilen. In 2019 gebruikten MIT-onderzoekers verbeterde technieken om: maak een 16-bits microprocessor met meer dan 14.000 koolstofnanobuistransistors . Dat is nog verre van een siliciumchip met miljoenen of miljarden transistors, maar het is niettemin vooruitgang.

DNA-berekening

In 1994 maakte Leonard Adleman, een computerwetenschapper aan de University of Southern California in Los Angeles, een computer uit een soep van DNA. Hij toonde aan dat DNA zichzelf in een reageerbuis kon assembleren om alle mogelijke paden in het beroemde handelsreizigersprobleem te verkennen. Experts voorspelden dat DNA-computing ritme op silicium gebaseerde technologie, met name bij massaal parallel computergebruik. Later concludeerden onderzoekers dat DNA-computing niet snel genoeg is om dat te doen.

Maar DNA heeft enkele voordelen. Onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om te coderen poëzie , GIF's en digitale films in de moleculen. De potentiële dichtheid is duizelingwekkend. Alle digitale gegevens van de wereld kunnen worden opgeslagen in een koffiemok vol DNA, biologische ingenieurs aan het MIT geschat in een paper eerder dit jaar. De vangst zijn de kosten: een co-auteur zei later dat DNA-synthese zes ordes van grootte goedkoper zou moeten zijn om te kunnen concurreren met magnetische tape.

Tenzij onderzoekers de kosten van DNA-opslag kunnen verlagen, blijven de dingen van het leven in cellen vastzitten.

Moleculaire elektronica

Het is een overtuigende visie: transistors worden steeds kleiner en kleiner, dus waarom niet vooruit springen en maken? ze uit individuele moleculen ? Schakelaars op nanometerschaal zouden een uiterst kosteneffectieve, dicht opeengepakte chip opleveren. De chips kunnen misschien zelfs zichzelf in elkaar zetten dankzij interacties tussen moleculen .

Groepen bij Hewlett-Packard en elders in de vroege jaren 2000 racen om de chemie en elektronica samen te laten werken.

Maar na tientallen jaren werk is de droom van moleculaire elektronica nog steeds precies dat. Onderzoekers hebben ontdekt dat afzonderlijke moleculen kieskeurig kunnen zijn en alleen onder zeer nauwe omstandigheden als transistors werken. Niemand heeft aangetoond hoe apparaten met één molecuul betrouwbaar kunnen worden geïntegreerd in massaal parallelle micro-elektronica, zegt Richard McCreery, een chemicus aan de Universiteit van Alberta.

De droom van moleculaire elektronica is niet helemaal gestorven, maar tegenwoordig is deze grotendeels gedegradeerd tot de scheikunde- en natuurkundelabs, waar onderzoekers doorgaan worstelen om eindeloos wispelturige moleculen te maken gedragen.

Wat volgt?

Silicium regeert nog steeds opperste, maar de tijd dringt voor ieders favoriete halfgeleider. De laatste Internationale Roadmap voor Apparaten en Systemen (IRDS) suggereert dat transistors na 2028 naar verwachting zullen stoppen met krimpen en dat geïntegreerde schakelingen in drie dimensies moeten worden gestapeld om snellere en efficiëntere chips mogelijk te blijven maken.

Dit is misschien het moment waarop andere computerapparaten een opening vinden, maar alleen in combinatie met siliciumtechnologie. Onderzoekers onderzoeken hybride benaderingen voor het maken van chips. In 2017 integreerden onderzoekers die vooruitgang hadden geboekt met koolstofnanobuistransistors deze met lagen niet-vluchtige memristors en siliciumapparaten - een prototype voor een benadering om de snelheid en het energieverbruik bij computers te verbeteren door afstand te nemen van de traditionele architectuur.

Klassieke op silicium gebaseerde chips zullen nog enige vooruitgang boeken, zegt AMD's Malaya. Maar, voegt hij eraan toe, ik denk dat de toekomst heterogeen zal zijn, waarin alle technologieën waarschijnlijk op een complementaire manier worden gebruikt met traditionele computers.

Met andere woorden, de toekomst zal nog steeds silicium zijn. Maar het zullen ook andere dingen zijn.

Lakshmi Chandrasekaran is een freelance wetenschapsschrijver gevestigd in Chicago .

zich verstoppen