Skaičiavimas po silicio

Prieš ketverius metus UCLA chemijos profesorius R. Stanley Williamsas ir kompiuterių milžinė „Hewlett-Packard“ (HP) vienu metu ėmėsi karjeros vidurio pokyčių. Bendrovė išaugo į vieną iš pirmaujančių kompiuterių ir mikroprocesorių gamintojų pasaulyje, tačiau ji vis dar neturėjo fundamentalių tyrimų grupės. Williamsas pastaruosius penkiolika metų praleido akademinėje bendruomenėje ir bijojo, kad praras ryšį su verslo realijomis (anksčiau per savo karjerą jis keletą metų dirbo Bell Laboratories). Sprendimas: Williamso vadovaujama pagrindinių tyrimų laboratorija HP.

Laboratorijos vadovui Williamsui labiausiai rūpi kompiuterijos ateitis. Dėl laipsniško silicio pagrindu sukurtų integrinių grandynų miniatiūravimo atsirado mažesnės, pigesnės ir galingesnės mašinos. Šiuolaikinių lustų skersmuo siekia vos kelis šimtus nanometrų (nanometras yra milijardoji metro dalis). Tai maža. Tačiau Williamso skaičiavimais, galimybė toliau mažinti silicio pagrindu veikiančius įrenginius greičiausiai sustos kažkur apie 2010 m. Tokios prognozės vargu ar šokiruoja – panašių išvadų padarė ir kiti Silicio slėnio ekspertai. Stebina tai, kad Williamsas mano, kad jis ir jo bendradarbiai HP ir UCLA rado sprendimą: perspektyvų silicio įpėdinį.

Jei Williamsas teisus, kompiuterija vieną dieną pasikliaus nanometriniais komponentais, pigiais ir lengvai surenkamais naudojant paprastą chemiją. Vietoj šiandieninės technikos, kai silicio drožlėse tiksliai išraižomos detalės, kad būtų sukurti sudėtingi ir beveik tobuli raštai, technikai panardins substratus į chemikalų talpyklas. Ir jei mišinys yra tinkamas, laidai ir jungikliai chemiškai susirenka iš šių medžiagų. Tai leistų sukurti mažus, nebrangius ir nepaprastai galingus kompiuterius. Tai žavi vizija. Vis dėlto Silicio slėnis (ir populiarioji spauda) kupina žavių kompiuterijos ateities vizijų. Williamso gaminami HP gaminiai įtaigesni yra tai, kad tai ne tik idėjos. Praėjusiais metais Williamsas ir jo bendradarbiai žurnale „Science“ paskelbė ataskaitą, kurioje aprašoma kompiuterių architektūra, kuri galėtų padaryti chemiškai surenkamas grandines; o šių metų liepą grupė paskelbė antrąjį mokslo straipsnį, šį kartą aprašantį pirmojo potencialaus jų kompiuterinių molekulinių elektroninių jungiklių komponento sintezę. Rezultatai pateko į laikraščių antraštes visoje šalyje.

Kelias savaites prieš žiniasklaidos siautulį VAIKAI Vyresnysis redaktorius Davidas Rotmanas kalbėjosi su Williamsu apie skaičiavimus po silicio, pagrindinius tyrimus aukštųjų technologijų korporacijose ir savo asmeninį perėjimą iš universiteto į privatų sektorių.

TR: Jūs atėjote į HP 1995 m., kad įkurtumėte pagrindinių tyrimų laboratoriją, kai buvote profesoriumi UCLA. Kokia buvo tavo misija?
WILLIAMS: „Hewlett-Packard“ niekada neturėjo pagrindinės tyrimų grupės. Anksčiau HP vykdavo diskusijos, kuriose žmonės sakydavo, kad mes tikrai turėtume atlikti daugiau pagrindinių tyrimų, mes tikrai turėtume kažkaip grąžinti žinias į tokias filosofines diskusijas. Ir visada buvo keletas žmonių, kurie atliko pagrindinį darbą. Tačiau HP suprato, kad turi sukurti atskirą grupę, kuri būtų labiau izoliuota nuo kasdienių produktų tyrimų poreikių, kad galėtų nuolat stengtis. Su manimi susisiekė ir paklausė, ar man būtų įdomu pabandyti suburti pagrindinių tyrimų grupę. Tvirtai tikėjau, o dabar dar labiau tikiu, kad fundamentiniai tyrimai turi tikrą vertę korporacijai.

TR: Kaip tą vertę demonstruojate?
VILJAMS: Yra keletas būdų. Vienas iš jų – pateikti viziją, kaip atrodys elektronika ir kompiuterija po 10 metų. Taip pat veikiame kaip technologijų radaras. Dažnai girdime apie įvykius prieš žmones apkasuose ir galime juos įspėti, kad atsiranda įdomių galimybių ar galbūt grėsmių. Be to, mes dirbame su tokiais esminiais klausimais, kad jei mums pasiseks, įmonės pelnas bus didžiulis. Ir jie tai žino. Kiekvienas protingas investicijų portfelis turi keletą tolimų kadrų.

TR: Ar viskas klostėsi taip, kaip tikėjotės nuo pat laboratorijos įkūrimo?
VILJAMS: Kai atėjau į HP, turėjau labai miglotų minčių apie ateities elektroniką. Dabar turime planą. Tai buvo nuostabu. Yra keletas dalykų, kurie nepasiteisino taip, kaip tikėjausi. Tikėjausi turėti keletą bendrų tyrimų projektų su labiau taikomosiomis laboratorijomis. Nors patys mokslininkai yra suinteresuoti dirbti su mumis, o jų vadovai skatina juos tai daryti, kai žmonėms yra nustatytas terminas, toks bendradarbiavimas negali būti tvarus. Kita problema yra ta, kad mes konkuravome dėl finansavimo su daugybe ekonomiškai svarbių projektų, todėl pagrindiniai tyrimai neaugo taip greitai, kaip buvo įsivaizduojama, kai buvau įdarbintas. Mes tik pradedame po truputį augti.

TR: Kaip aukštųjų technologijų pramonei sekasi atlikti pagrindinius tyrimus? Ar pasiekiama teisinga pusiausvyra teikiant fundamentinį mokslą ir stebint esmę?
VILJAMS: Apskritai, ne. Šiuolaikinėje įnirtingoje konkurencinėje aplinkoje bet kuri aukštųjų technologijų įmonė gali bankrutuoti per trejus metus arba gerokai greičiau, įvedus interneto laiką. Labai sunku atkreipti dėmesį į ilgalaikį laikotarpį, kuris kai kurių įmonių valdyboms yra ketvirtis po kito. Netgi įmonių tyrimų laboratorijose spaudimas geriau derintis su produktų padaliniais, sutrumpinti tyrimų ir plėtros ciklus ir kovoti su kasdieniais gaisrais daugumos vadovų ir tyrėjų nuomonę sugriovė vos kelerius metus.

TR: Ką tai reiškia kompiuterių pramonei?
VILJAMS: Manau, kad stiprus pagrindinių tyrimų komponentas įmonės laboratorijoje tampa strateginiu pranašumu. Tai ypač pasakytina apie aukštųjų technologijų įmones, kurios priklauso nuo elektronikos pažangos. Bus didžiulis ekonominis atlygis įmonėms ir šalims, kurios sėkmingai panaudoja nanometrų mastelio struktūras ir kvantinius reiškinius skaičiavimo, ryšių ir matavimo programoms. Visi jie vis dar yra fundamentaliųjų tyrimų lygyje, bet jie bus technologijų pagrindas dar ilgai, kol būsiu pasiruošęs išeiti į pensiją. Įmonės, kurios neatsiliks nuo pokyčių, vėliau negalės pasivyti. „Fortune 100“ po dešimties metų atrodys daug kitaip nei dabar, o reikšmingas skirtumas bus investicijos į fundamentinius tyrimus.

TR: Pakalbėkime apie kompiuterijos ateitį konkrečiau. Jūs dažnai kalbate apie silicinio skaičiavimo ribas. Kokios tos ribos?
VILJAMS: Per ateinantį dešimtmetį puslaidininkių pramonė susidurs su dviem labai skirtingomis problemomis. Vienas iš jų yra ekonominis. Gamyklų, skirtų kiekvienai naujos kartos silicio lustams pagaminti, statybos kaina kas trejus metus didėja maždaug du kartus. 10 milijardų dolerių vertės gamykla, arba fab, nėra toli. Tikėtina, kad 2010 m. gamykla kainuos 30 mlrd. Antroji problema, kuri yra viena iš pagrindinių pirmosios priežasties, yra ta, kad silicio tranzistoriai pradeda patirti kai kuriuos esminius fizikos ir medžiagų apribojimus, nes jie tampa vis mažesni. Pavyzdžiui, elektronų, naudojamų lauko efekto tranzistoriui – pagrindiniam šiuolaikinių kompiuterių įjungimui ir išjungimui – perjungti, skaičius mažėja iki šimtų, o kai jis bus daug mažesnis, kils rimtų problemų dėl statistinių svyravimų, kurie gali veikti atsitiktinai. įjunkite ir išjunkite. Taip pat yra problemų, susijusių su tradicinės litografijos fizika [šviesos naudojimas silicio lustams išgraviruoti], pavyzdžiui, kaip tiksliai nustatyti plokštelių padėtį kelių nanometrų tikslumu. Kiekviena iš šių problemų turi technologinį sprendimą, kuris gali išspausti dar vieną ar dvi susitraukimo kartas, tačiau faktas, kad tiek daug problemų dabar turi būti sprendžiama vienu metu, yra beveik stulbinantis.

TR: Ar silicio technologija staiga atsitrenks į sieną?
VILJAMS: Fizikos požiūriu nėra jokių priežasčių, kodėl pramonė negali nusileisti iki 50 nanometrų prietaisų. Tačiau problema ta, kad patekti ten tampa vis sudėtingiau ir vis brangiau. Užuot bandę žaisti žaidimą, daugelis įmonių priims ekonominį sprendimą, kad neketina gaminti naujausių lustų. Jau kurį laiką tai skelbiu ir net esu nustebęs, kaip greitai tai vyksta. „National Semiconductor“ – štai įmonė, kurios pavadinime yra puslaidininkių – nebegamins naujos kartos mikroprocesorių. Tiesą sakant, „Hewlett-Packard“ neseniai paskelbė, kad jos pažangūs procesoriai bus pastatyti liejykloje (liejyklos yra gamyklos, gaminančios įrenginius pagal sutartį). Galiausiai pasaulyje atsiras vienas ar du moderniausius įrenginius gaminančios gamyklos, kurios tikriausiai bus didžiąja dalimi finansuojamos vyriausybių. O tai reiškia, kad tai tikriausiai neįvyks Jungtinėse Valstijose.

TR: Ir kiek laiko tai užtruks tokiu greičiu?
VILJAMS: Spėju, kad tai bus iki 2012 m. Tai didelis vištienos žaidimas. Kas nori išleisti pinigus naujam gaminiui?

TR: Kaip sparčiai augančios gamybos sąnaudos ir vėlesnis įmonių pasitraukimo iš gamybos poveikis paveiks mikroelektroniką?
VILJAMS: Prekių, kurias perkame šiandien, kainos iš esmės nepadidės, bet nematysime dramatiško silicio pagrindu pagamintų prietaisų našumo pagerėjimo ir kainos sumažėjimo, kokį matėme praeityje. Ir tai, kad tiek daug didelių įmonių pasitraukia iš silicio procesų tyrimų, kurį laiką tikrai pakenks naujovėms mikroelektronikoje. Tačiau tai taip pat atvers duris daugeliui smulkių verslininkų ir išradėjų, norinčių sukurti visiškai naujus elektroninius prietaisus ir gamybos procesus. Manau, kad ateinantis dešimtmetis bus vienas didžiausių kūrybiškumo sprogimų, kokį matėme nuo tranzistoriaus išradimo.

TR: Numatėte, kad esant dabartiniam susitraukimo tempui, silicio pagrindu pagaminti įrenginiai pradės pasiekti esmines ribas maždaug 2010 m. Kalbant apie naujų technologijų, kurios pakeistų silicį, paieška ir kūrimas, ateitis tikrai ne tokia toli, ar ne?
VILJAMS: Tai baisiai arti. Kol kas nėra aiškaus silicio technologijos paveldėtojo. Kad iki tol būtų paruošta nauja technologija, dabar turime sunkiai dirbti. HP turime, mūsų nuomone, gana gerą kandidatą, bet manau, kad technologijos ir ateities ekonomika šioje šalyje būtų daug geriau, jei būtų daugiau nei vienas paveldėtojas, jei konkuruotų kelios grupės su unikaliomis idėjomis. Yra keletas gerų idėjų, bet jų nepakanka.

TR: Esu nustebęs, kad jų nėra daugiau, atsižvelgiant į tai, kas yra pavojuje.
VILJAMS: Daug tyrimų atliekama atskirų įrenginių lygiu. Tačiau architektūrinio masto darbų vyksta labai mažai. Užuot žiūrėję į atskirus pagrindinius vienetus, mes žiūrime į visos grandinės funkciją.

TR: Užuot bandę padaryti daiktus nanometrų masteliu ir nerimauti, kaip galėtumėte juos panaudoti, jau turite omeny...
VILJAMS: Galima bendra struktūra. Dauguma šioje srityje dirbančių žmonių iš esmės bando išsiaiškinti, kaip sukurti esamo elektroninio įrenginio molekulinį analogą; tada jie tikisi, kad išsiaiškins, kaip sujungti visus šiuos dalykus, kad būtų sukurta grandinė ar sistema. Žmonės iš esmės sunkiai dirba, kad sukurtų vieną plytą ir tikisi, kad ją sukūrę galės sugalvoti, kaip iš jos ką nors pastatyti. Kita vertus, turime viso pastato architektūrinį brėžinį ir ieškome geriausių medžiagų tam pastatui statyti.

TR: Jūsų tikslas yra panaudoti šį planą kuriant visiškai naujo tipo kompiuterį, pagamintą naudojant chemiją, o ne litografiją, ar ne?
VILJAMS: Mūsų tikslas yra gaminti grandines paprastuose cheminiuose dūmų gaubtuose naudojant stiklines ir įprastas chemines procedūras. Užuot gaminę neįtikėtinai sudėtingus ir tobulus įrenginius, kuriems reikalingos labai brangios gamyklos, gamintume įrenginius, kurie iš tikrųjų yra labai paprasti ir linkę į gamybos klaidas. Juos pagaminti būtų nepaprastai nebrangiai, o didžioji ekonominės vertės dalis gautų jų programavimą.

TR: Atrodo šiek tiek prieštaringa, kad būdas padaryti mikroelektroniką dar mažesnę ir galingesnę yra leisti jai turėti defektų.
VILJAMS: Prieš metus žurnale Science paskelbėme straipsnį, kuriame kalbame apie tai, ko reikės norint pagaminti kompiuterį naudojant cheminį surinkimą. Atsakymas buvo toks, kad reikia turėti tokią skaičiavimo architektūrą, kuri leistų sistemoms turėti daug gamybos defektų, daug klaidų. Tai vadiname tolerantiška architektūrai. Aptarėme kompiuterio, kuris buvo pastatytas čia, Hewlett-Packard, pavadinimu Teramac, pavyzdį. Tai mūsų kompiuterio archetipas; manome, kad ateityje daiktai, pagrįsti molekulinio masto ar nanometrų mastelio objektais, turės turėti šiuos defektams atsparius dizainus, nes bus neįmanoma tobulai pagaminti tokių mažų dalykų.

TR: Papasakokite šiek tiek apie jūsų susidomėjimo Teramac ištakas.
VILJAMS: James Heath, UCLA chemijos profesorius, ir aš praleidome mažiausiai pusantrų metų ją studijuodami, kol buvome pasiruošę ką nors statyti. Mes diskutavome su HP kompiuterių architektu Philipu Kuekesu apie defektų toleranciją, o Philas pradėjo kalbėtis su mumis apie šį kompiuterį, kurį jis padėjo sukurti. Jie nusprendė jį sukurti iš netobulų ar defektų turinčių silicio komponentų, nes jie būtų daug pigesni, ir tiesiog išspręs visas iškilusias problemas naudodami protingą programinę įrangą.

TR: Kitaip tariant, jūs mokate už medžiagos tobulumą.
VILJAMS: absoliučiai. Tobulumas kainuoja daug pinigų. O kai darotės vis sudėtingesni, tobulumo kaina tampa vis didesnė. Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl gaminių kaina auga eksponentiškai. Mes sakome, kad jei galime pagaminti netobulus, bet puikiai veikiančius dalykus, galime juos sukurti daug pigiau.

TR: Kaip padaryti, kad tai, kas netobula, veiktų tobulai?
VILJAMS: „Teramac“ turi architektūrą, kuri remiasi labai įprastomis struktūromis, vadinamomis skersiniais, todėl galite prijungti bet kokią įvestį su bet kokia išvestimi. Jei kuris nors sistemos jungiklis ar laidas yra sugedęs, galite jį nukreipti. Galite išvengti problemų. Paaiškėjo, kad „Teramac“ turėjo didžiulę premiją. Jis ne tik gali kompensuoti gamybos klaidas, bet ir „Teramac“ gali būti labai greitai užprogramuotas ir tas programas vykdė akinamai greitai, nes turėjo tokį didžiulį ryšio pralaidumą.

TR: Sukurta „Teramac“ naudoja silicio lustus, nors ir su defektais. Tačiau jus domina šios architektūros naudojimas kuriant kompiuterį naudojant cheminius procesus. Kodėl tai daug žadanti programa?
VILJAMS: „Teramac“ buvo sukurtas kaip įrankis, leidžiantis parodyti defektų tolerancijos naudingumą kuriant sudėtingas sistemas pigiau. Nors tai buvo sėkminga, stalinis „Teramac“ dar nėra ekonomiškai perspektyvus. Gali būti, kad „Teramac“ tipo architektūra padės išplėsti silicio integrinius grandynus maždaug viena karta, nes jų gamyba bus pigesnė, tačiau matome didžiulį šios architektūros potencialą cheminėje integrinių grandynų gamyboje. Įrenginių surinkimas ir jų užsakymas cheminėmis priemonėmis bus procesas, dėl kurio kyla klaidų. Tačiau dabar turime įrodymų, kad labai sugedusi sistema gali puikiai veikti.

TR: Ar ši tikroji architektūra galėtų būti tikras būdas skaičiuoti?
VILJAMS: Tai tikra. Techninė įranga buvo sukurta, išbandyta ir užprogramuota. Sąvokos yra labai gerai suprantamos ir labai tvirtos. Dabar antrasis viso to etapas yra išsiaiškinti, ar galime panaudoti idėjas, kilusias iš pagrindinių nanotechnologijų tyrimų – savaiminio surinkimo, mažų reguliarių vienetų konstravimo naudojant chemines procedūras – idėjas, kad iš tikrųjų sukurtume kažką, kas būtų naudinga. Mūsų šių metų liepos mėn. mokslinis dokumentas, mūsų manymu, yra pirmasis svarbus žingsnis ta kryptimi, nes parodome, kad molekulinis elektroninis perjungimas yra įmanomas.

TR: Kas toliau?
VILJAMS: Tikimės per dvejus metus chemiškai surinkti veikiančią 16 bitų atmintį, kuri tilptų į 100 nanometrų kvadratą vienoje pusėje. Šiandien vienas bitas silicio atmintyje yra daug didesnis nei kvadratinis mikrometras. Taigi, mes ieškome bent trijų dydžių atminties tankio padidinimo. Mūsų ilgalaikis tikslas, atvirai kalbant, yra sukurti visą kompiuterį naudojant tik cheminius procesus. Šis konkretus tikslas yra po 10 metų, jei viskas bus gerai, ir net tada mes kursime gana paprastas grandines. Bet tai turi prasidėti kažkur.

paslėpti