Computación después del silicio

Hace cuatro años, el profesor de química de UCLA R. Stanley Williams y el gigante informático Hewlett-Packard (HP) hicieron cambios a mitad de carrera al mismo tiempo. La empresa se había convertido en uno de los principales fabricantes de ordenadores y microprocesadores del mundo, pero aún no contaba con un grupo de investigación fundamental. Williams había pasado los últimos quince años en el mundo académico y temía perder contacto con las realidades del negocio (al principio de su carrera había trabajado durante varios años en Bell Laboratories). La solución: un laboratorio de investigación básica en HP dirigido por Williams.



Como jefe del laboratorio, la principal preocupación de Williams es el futuro de la informática. La miniaturización progresiva de los circuitos integrados basados ​​en silicio ha dado lugar a máquinas más pequeñas, más baratas y más potentes. Los chips de última generación ahora tienen características tan pequeñas como varios cientos de nanómetros de diámetro (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Eso es pequeño. Pero según los cálculos de Williams, es probable que la capacidad de continuar reduciendo los dispositivos basados ​​en silicio se detenga en algún momento alrededor de 2010. Tales predicciones no son impactantes; otros expertos de Silicon Valley han llegado a conclusiones similares. Lo sorprendente es que Williams cree que él y sus colaboradores en HP y UCLA han encontrado una solución: un heredero viable del silicio.

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Si Williams está en lo cierto, la informática algún día se basará en componentes a escala nanométrica que se ensamblarán de forma económica y sencilla utilizando química simple. En lugar de la técnica actual de tallar características con precisión en chips de silicio para crear patrones complejos y casi perfectos, los técnicos sumergirán sustratos en cubas de productos químicos. Y si la mezcla es correcta, los cables y los interruptores se ensamblarán químicamente a partir de estos materiales. Haría posible computadoras diminutas, económicas e inmensamente poderosas. Esta es una visión fascinante. Sin embargo, después de todo, Silicon Valley (y la prensa popular) están llenos de visiones fascinantes del futuro de la informática. Lo que hace que los brebajes que Williams está preparando en HP sean más atractivos es que no son solo ideas. El año pasado, Williams y sus colaboradores publicaron un informe en Science que describe una arquitectura de computadora que podría hacer factibles los circuitos ensamblados químicamente; y este julio el grupo publicó un segundo artículo de Science, esta vez describiendo la síntesis de un primer componente potencial de sus interruptores electrónicos moleculares de computadora. Los resultados llegaron a los titulares de los periódicos de todo el país.





En las semanas previas al frenesí mediático, NIÑOS El editor senior David Rotman conversó con Williams sobre la informática después del silicio, la investigación básica en corporaciones de alta tecnología y su propia transición personal de la universidad al sector privado.

TR: Llegó a HP en 1995 para establecer un laboratorio de investigación básica después de ser profesor en UCLA. Cual fue tu mision?
WILLIAMS: Hewlett-Packard nunca tuvo un grupo de investigación básica. En el pasado, hubo discusiones dentro de HP en las que la gente decía, realmente deberíamos estar haciendo una investigación más básica, realmente deberíamos estar devolviendo conocimientos de alguna manera al pozo, ese tipo de discusiones filosóficas. Y siempre había algunas personas haciendo un trabajo fundamental. Pero HP se dio cuenta de que tenía que crear un grupo separado que estuviera más aislado de las demandas diarias de la investigación de productos para tener un esfuerzo sostenido. Me contactaron y me preguntaron si estaría interesado en intentar crear un grupo de investigación básica. Creía firmemente, y de hecho lo creo aún más ahora, que la investigación fundamental tiene un valor real para una corporación.

TR: ¿Cómo demuestra ese valor?
WILLIAMS: Hay varias formas. Una es proporcionar una visión de cómo serán la electrónica y la informática en un período de 10 años. También actuamos como radar tecnológico. A menudo escuchamos acerca de los desarrollos antes que las personas en las trincheras, y podemos alertarles de que hay oportunidades interesantes o quizás amenazas que se avecinan. Además, estamos trabajando en cuestiones tan fundamentales que, si lo logramos, la recompensa para la empresa será enorme. Y ellos lo saben. Toda cartera de inversión inteligente tiene algunas posibilidades.



TR: ¿Han salido las cosas como esperaba desde que puso en marcha el laboratorio?
WILLIAMS: Cuando llegué a HP, tenía ideas muy nebulosas sobre la electrónica del futuro. Ahora tenemos una hoja de ruta. Eso ha sido asombroso. Hay un par de cosas que no han funcionado como esperaba. Tenía la esperanza de tener varios proyectos de investigación conjuntos con los laboratorios más aplicados. A pesar de que los propios investigadores están interesados ​​en trabajar con nosotros y sus gerentes los alientan a hacerlo, cuando las personas tienen plazos que cumplir, esas colaboraciones no pueden sostenerse. Otro problema es que hemos estado compitiendo por la financiación de muchos proyectos económicamente cruciales y, por lo tanto, la investigación básica no ha crecido tan rápido como se imaginó cuando me contrataron. Estamos empezando a crecer un poco.

TR: ¿Qué tan bien le está yendo a la industria de alta tecnología en la realización de la investigación básica? ¿Está logrando el equilibrio adecuado de proporcionar ciencia fundamental mientras se cuida el resultado final?
WILLIAMS: En general, no. En el entorno brutalmente competitivo actual, cualquier empresa de alta tecnología puede ir a la quiebra en tres años, o mucho menos con la introducción del tiempo de Internet. Es muy difícil prestar atención al largo plazo, que para el consejo de administración de algunas empresas es el trimestre siguiente al siguiente. Incluso en los laboratorios de investigación corporativos, la presión para alinearse mejor con las divisiones de productos, acortar los ciclos de investigación y desarrollo y combatir los incendios cotidianos ha colapsado la visión de la mayoría de los gerentes e investigadores en solo unos años.

TR: ¿Qué significa eso para la industria informática?
WILLIAMS: Creo que tener un fuerte componente de investigación básica en un laboratorio corporativo se está convirtiendo en una ventaja estratégica. Este es especialmente el caso de las empresas de alta tecnología que dependen de los avances de la electrónica. Habrá una gran recompensa económica para las empresas y países que logren aprovechar las estructuras a escala nanométrica y los fenómenos cuánticos para aplicaciones de computación, comunicación y medición. Todos estos están todavía al nivel de la investigación básica, pero serán los cimientos de la tecnología mucho antes de que esté listo para jubilarme. Las empresas que no se mantengan al día con los desarrollos no podrán ponerse al día más tarde. El Fortune 100 se verá muy diferente en diez años de lo que es ahora, y un diferenciador significativo serán las inversiones en investigación básica.

TR: Hablemos más específicamente sobre el futuro de la informática. A menudo se refiere a los límites de la informática basada en silicio. ¿Cuáles son esos límites?
WILLIAMS: Hay dos problemas muy diferentes a los que se enfrenta la industria de los semiconductores durante la próxima década. Uno es económico. El costo de construir fábricas para fabricar cada nueva generación de chips de silicio se ha incrementado en un factor de aproximadamente dos cada tres años. Una planta de fabricación de $ 10 mil millones, o fabulosa, no está lejos. Para 2010, es probable que una fábrica cueste $ 30 mil millones. El segundo problema, que es una de las principales razones del primero, es que los transistores basados ​​en silicio están comenzando a experimentar algunas limitaciones físicas y materiales fundamentales a medida que se hacen cada vez más pequeños. Por ejemplo, la cantidad de electrones utilizados para encender y apagar un transistor de efecto de campo, el pilar de las computadoras de hoy en día, se reduce a cientos, y a medida que disminuya mucho, habrá problemas graves con fluctuaciones estadísticas que podrían actuar de manera aleatoria. encenderlo y apagarlo. También están los problemas asociados con la física de la litografía tradicional [el uso de la luz para grabar patrones en chips de silicio], como la forma de colocar con precisión las obleas con una precisión de unos pocos nanómetros. Cada uno de estos problemas tiene una solución tecnológica que puede eliminar una o dos generaciones más de contracción, pero el hecho de que ahora haya que abordar tantos problemas simultáneamente es casi abrumador.



TR: ¿La tecnología basada en silicio chocará repentinamente contra una pared?
WILLIAMS: Desde el punto de vista de la física, no hay razones por las que la industria no pueda optar por dispositivos tan pequeños como 50 nanómetros. Pero el problema es que llegar allí es cada vez más desafiante y cada vez más caro. En lugar de intentar jugar, muchas empresas tomarán la decisión económica de no fabricar chips de última generación. He estado predicando esto durante algún tiempo, e incluso me sorprende lo rápido que está sucediendo. National Semiconductor, aquí hay una empresa con semiconductores justo en su nombre, ya no fabricará microprocesadores de próxima generación. De hecho, Hewlett-Packard anunció recientemente que construirá sus procesadores avanzados en una fundición (las fundiciones son fábricas que producen dispositivos por contrato). Con el tiempo, habrá una o dos fábricas en el mundo que construyan dispositivos con tecnología de punta, y esas fábricas probablemente serán financiadas en gran parte por los gobiernos. Lo que significa que probablemente no sucederá en los Estados Unidos.

TR: Y a este ritmo, ¿cuánto tiempo llevará eso?
WILLIAMS: Supongo que será antes de 2012. Es un gran juego de gallinas. ¿Quién está dispuesto a gastar el dinero en una nueva fábrica?

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TR: ¿Cómo afectarán a la microelectrónica el rápido aumento de los costos de producción y el consiguiente efecto de las empresas que abandonan la fabricación?
WILLIAMS: Los precios de los artículos que estamos comprando hoy no subirán sustancialmente, pero no veremos las mejoras dramáticas en el rendimiento y las disminuciones en el costo de los dispositivos basados ​​en silicio que hemos visto en el pasado. Y el hecho de que tantas grandes empresas se estén saliendo de la investigación de procesos de silicio definitivamente dañará la innovación en microelectrónica por un tiempo. Sin embargo, esto también abrirá la puerta a muchos empresarios e inventores a pequeña escala que buscan crear dispositivos electrónicos y procesos de fabricación completamente nuevos. Creo que la próxima década proporcionará una de las mayores explosiones de creatividad que hemos visto desde la invención del transistor.

TR: Ha pronosticado que, al ritmo actual de contracción, los dispositivos basados ​​en silicio comenzarán a alcanzar límites fundamentales alrededor de 2010. En términos de encontrar y desarrollar nuevas tecnologías para reemplazar el silicio, en realidad no es tan lejano en el futuro, ¿verdad?
WILLIAMS: Está espantosamente cerca. Todavía no hay un heredero definitivo de la tecnología del silicio. Para tener una nueva tecnología lista para entonces, tenemos que trabajar duro ahora mismo. En HP, tenemos lo que creemos que es un candidato bastante bueno, pero creo que la tecnología y la economía futura de este país estarían mucho mejor si hubiera más de un heredero, si hubiera varios grupos con ideas únicas compitiendo. Hay algunas buenas ideas, pero no las suficientes.

TR: Me sorprende que no haya más, dado lo que está en juego.
WILLIAMS: Gran parte de la investigación se realiza a nivel de dispositivos discretos. Pero se está realizando muy poco trabajo a escala arquitectónica. En lugar de mirar unidades básicas discretas, estamos viendo la función de un circuito completo.

TR: En lugar de intentar hacer cosas a escala nanométrica y luego preocuparse por cómo podría usarlas, ya lo tiene en mente ...
WILLIAMS: Una estructura global potencial. La mayoría de las personas que trabajan en esta área están esencialmente tratando de descubrir cómo hacer un análogo molecular de un dispositivo electrónico existente; luego esperan descubrir cómo conectar todas estas cosas para hacer un circuito o un sistema. Básicamente, las personas están trabajando duro para hacer un solo ladrillo y esperan que una vez que lo hagan, puedan descubrir cómo construir algo a partir de él. Por otro lado, tenemos el dibujo arquitectónico de todo el edificio y buscamos los mejores materiales para construir ese edificio.

TR: Su ambición es utilizar este plano para construir un tipo de computadora completamente nuevo, una fabricada usando química en lugar de litografía, ¿no es así?
WILLIAMS: Nuestro objetivo es fabricar circuitos en campanas de extracción química simples utilizando vasos de precipitados y procedimientos químicos normales. En lugar de fabricar dispositivos increíblemente complejos y perfectos que requieren fábricas muy caras, fabricaríamos dispositivos que en realidad son muy simples y propensos a errores de fabricación. Serían extraordinariamente baratos de fabricar y la mayor parte del valor económico vendría en su programación.

TR: Parece un poco contradictorio que la forma de hacer que la microelectrónica sea aún más pequeña y más poderosa sea permitir que sean defectuosas.
WILLIAMS: Hace un año publicamos un artículo en Science en el que hablamos de lo que se va a requerir para fabricar una computadora utilizando ensamblajes químicos. La respuesta fue que necesita tener una arquitectura informática que permita que los sistemas tengan muchos defectos de fabricación, muchos errores. A esa arquitectura la llamamos tolerante a defectos. Discutimos un ejemplo de una computadora que se ha construido aquí en Hewlett-Packard llamada Teramac. Este es nuestro arquetipo informático; Creemos que en el futuro las cosas que se basan en objetos de escala molecular o nanométrica tendrán que tener como parte de sus principios organizativos estos diseños tolerantes a defectos porque será imposible hacer cosas tan pequeñas a la perfección.

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TR: Cuéntanos un poco sobre los orígenes de tu interés por Teramac.
WILLIAMS: James Heath, profesor de química de UCLA, y yo pasamos al menos un año y medio estudiándolo antes de que estuviéramos listos para construir algo. Estábamos teniendo una serie de discusiones con un arquitecto de computadoras en HP, Philip Kuekes, sobre la tolerancia a defectos, y Phil comenzó a hablarnos sobre esta computadora que él había ayudado a construir. Habían decidido construirlo a partir de componentes de silicio imperfectos o defectuosos, porque serían mucho más baratos y simplemente resolverían cualquier problema que surgiera mediante el uso de software inteligente.

TR: En otras palabras, paga por la perfección de un material.
WILLIAMS: Absolutamente. La perfección cuesta mucho dinero. Y a medida que se vuelve cada vez más complejo, el costo de la perfección aumenta cada vez más. Esa es la razón principal por la que el costo de las fábricas está aumentando exponencialmente. Lo que estamos diciendo es que si podemos hacer cosas que sean imperfectas pero que aún funcionen perfectamente, entonces podremos construirlas de forma mucho más económica.

TR: ¿Cómo se hace que algo imperfecto funcione a la perfección?
WILLIAMS: Teramac tiene una arquitectura que se basa en estructuras muy regulares llamadas barras transversales, lo que le permite conectar cualquier entrada con cualquier salida. Si algún interruptor o cable en particular en el sistema está defectuoso, puede enrutarlo. Puedes evitar los problemas. Resultó que Teramac tenía una gran ventaja. No solo es capaz de compensar los errores de fabricación, sino que Teramac también se podía programar muy rápidamente y ejecutaba esos programas con una velocidad deslumbrante porque tenía este enorme ancho de banda de comunicaciones.

TR: Tal como está construido, Teramac usa chips de silicio, aunque defectuosos. Pero su interés está en usar esta arquitectura para construir una computadora usando procesos químicos. ¿Por qué es tan prometedor para esa aplicación?
WILLIAMS: Teramac fue construido como una herramienta para demostrar la utilidad de la tolerancia a defectos para construir sistemas complejos de manera más económica. Aunque fue un éxito, un Teramac de escritorio aún no es económicamente viable. Puede ser que las arquitecturas similares a Teramac ayuden a extender los circuitos integrados de silicio una generación más o menos haciendo que las fábricas sean más baratas de construir, pero vemos el enorme potencial de esta arquitectura en la fabricación química de circuitos integrados. Ensamblar dispositivos y ordenarlos por medios químicos será un proceso inherentemente propenso a errores. Sin embargo, ahora tenemos pruebas de que un sistema muy defectuoso puede funcionar perfectamente.

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TR: ¿Esta arquitectura real podría proporcionar una forma real de hacer informática?
WILLIAMS: Es real. El hardware fue construido, probado y programado. Los conceptos se entienden muy bien y son muy sólidos. Ahora, la segunda etapa de todo esto es ver si podemos usar las ideas que surgen de la investigación básica en nanotecnología —las ideas del autoensamblaje, la construcción de pequeñas unidades regulares usando procedimientos químicos— para hacer algo que sea útil. Creemos que nuestro artículo científico de julio es el primer gran paso en esa dirección en el sentido de que demostramos que la conmutación electrónica molecular es posible.

TR: ¿Que sigue?
WILLIAMS: Dentro de dos años, esperamos ensamblar químicamente una memoria operativa de 16 bits que quepa en un cuadrado de 100 nanómetros de lado. Hoy, un bit en una memoria de silicio es mucho más grande que un micrómetro cuadrado. Por lo tanto, estamos buscando un aumento de escala de al menos tres órdenes de magnitud en la densidad de la memoria. Nuestro objetivo a largo plazo, francamente, es construir una computadora completa utilizando únicamente procesos químicos. Ese objetivo en particular es dentro de 10 años si todo va bien, e incluso entonces estaremos haciendo circuitos bastante simples. Pero tiene que empezar en alguna parte.

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