ماذا حدث لحوسبة الحمض النووي؟

عندما تم إنشاء أول ترانزستور ، في عام 1947 ، لم يكن من الممكن تخيل التأثير النهائي لهذا الجهاز - المفتاح الذي يقع في قلب الرقائق المنطقية.



لدينا السيليكون لنشكره على الاستحواذ الرائع على الحوسبة. أضف قليلًا من الشوائب إلى العنصر ، ويشكل السيليكون مادة تكاد تكون مثالية للترانزستورات في رقائق الكمبيوتر.

قضية الحوسبة

كانت هذه القصة جزءًا من إصدارنا في نوفمبر 2021





حرب النجوم المارقة واحد cgi ليا
  • انظر إلى بقية القضية
  • يشترك

لأكثر من خمسة عقود ، قام المهندسون بتقليص الترانزستورات القائمة على السيليكون مرارًا وتكرارًا ، مما أدى إلى إنشاء أجهزة كمبيوتر أصغر حجمًا وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة في هذه العملية. لكن سلسلة الانتصارات التكنولوجية الطويلة - والتصغير الذي مكنها - لا يمكن أن يستمر إلى الأبد. هناك حاجة للتكنولوجيا للتغلب على السيليكون ، لأننا نصل إلى قيود هائلة عليه ، كما يقول نيكولاس مالايا ، عالم الحوسبة في AMD في كاليفورنيا.

ماذا يمكن أن تكون هذه التكنولوجيا الوريثة؟ لم يكن هناك نقص في مناهج الحوسبة البديلة المقترحة على مدار الخمسين عامًا الماضية. هنا خمسة من أكثر لا تنسى. كلهم كان لديهم الكثير من الضجيج ، فقط ليتم هزيمتهم بواسطة السيليكون. لكن ربما هناك أمل بالنسبة لهم حتى الآن.

رمز spintronics

سبينترونيكس

تم بناء رقائق الكمبيوتر حول استراتيجيات للتحكم في تدفق الإلكترونات - وبشكل أكثر تحديدًا ، شحنتها. بالإضافة إلى الشحنة ، تمتلك الإلكترونات أيضًا زخمًا زاويًا ، أو دورانًا ، يمكن معالجته بالمجالات المغناطيسية. ظهرت Spintronics في الثمانينيات من القرن الماضي ، مع فكرة أن يمكن استخدام الدوران لتمثيل البتات : يمكن أن يمثل اتجاه واحد واحد والآخر 0 .



من الناحية النظرية ، يمكن جعل الترانزستورات السينية صغيرة ، مما يسمح برقائق معبأة بكثافة. ولكن من الناحية العملية ، كان من الصعب العثور على المواد المناسبة لبناء هذه المواد. يقول الباحثون إن الكثير من علوم المواد الأساسية لا تزال بحاجة إلى العمل.

ومع ذلك ، فقد تم تسويق تقنيات spintronic في عدد قليل من المجالات المحددة للغاية ، كما يقول جريجوري فوكس ، عالم الفيزياء التطبيقية في جامعة كورنيل في إيثاكا ، نيويورك. حتى الآن ، كان أكبر نجاح لإلكترونيات السبينترونيك هو الذاكرة غير المتطايرة ، وهو النوع الذي يمنع فقدان البيانات في حالة انقطاع التيار الكهربائي. تم إنتاج STT-RAM (لذاكرة الوصول العشوائي لعزم الدوران بنقل الدوران) منذ عام 2012 ويمكن العثور عليها في مرافق التخزين السحابي.

Memristors

تعتمد الإلكترونيات الكلاسيكية على ثلاثة مكونات: مكثف ومقاوم ومحث. في عام 1971 ، وضع المهندس الكهربائي ليون تشوا نظرية عن مكون رابع أطلق عليه اسم memristor ، لمقاومة الذاكرة. في عام 2008 ، طور باحثون في Hewlett-Packard أول ميمريستور عملي ، باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم.

ما أكبر المجرة أو الكون

كان الأمر مثيرًا لأنه يمكن استخدام memristors نظريًا لكل من الذاكرة والمنطق. تتذكر الأجهزة آخر جهد تم تطبيقه ، لذا فهي تحتفظ بالمعلومات حتى في حالة إيقاف التشغيل. وهي تختلف أيضًا عن المقاومات العادية في أن مقاومتها يمكن أن تتغير اعتمادًا على مقدار الجهد المطبق. يمكن استخدام هذا التعديل لأداء العمليات المنطقية. إذا تم إجراؤها داخل ذاكرة الكمبيوتر ، فيمكن لهذه العمليات أن تقلل من مقدار البيانات التي يجب نقلها بين الذاكرة والمعالج.



ظهرت Memristors لأول مرة تجاريًا على أنها تخزين غير متطاير ، يسمى RRAM أو ReRAM ، لذاكرة الوصول العشوائي المقاومة. لكن المجال لا يزال يمضي قدما. في عام 2019 ، طور الباحثون شريحة 5،832 memristor يمكن استخدامها في الذكاء الاصطناعي.

أنابيب الكربون النانوية

الكربون ليس مثاليا أشباه الموصلات. ولكن في ظل الظروف المناسبة ، يمكن صنع أنابيب نانوية ممتازة. صُنعت الأنابيب النانوية الكربونية لأول مرة في ترانزستورات في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، وأظهرت الدراسات أنها يمكن أن تكون كذلك 10 مرات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من السيليكون.

في الواقع ، من بين الترانزستورات الخمسة البديلة التي تمت مناقشتها هنا ، قد تكون الأنابيب النانوية الكربونية الأبعد. في 2013 ، قام باحثو ستانفورد ببناء أول كمبيوتر وظيفي في العالم مدعوم بالكامل بواسطة ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية ، وإن كانت بسيطة.

لكن الأنابيب النانوية الكربونية تميل إلى الالتفاف إلى كرات صغيرة وتتجمع معًا مثل السباغيتي. علاوة على ذلك ، فإن معظم طرق التخليق التقليدية تصنع الأنابيب النانوية شبه الموصلة والمعدنية في مزيج فوضوي. يبحث علماء ومهندسو المواد عن طرق لتصحيح هذه العيوب والتغلب عليها. في عام 2019 ، استخدم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنيات محسنة صنع معالجًا دقيقًا 16 بت مع أكثر من 14000 ترانزستور من الأنابيب النانوية الكربونية . لا يزال هذا بعيدًا عن شريحة سيليكون تحتوي على ملايين أو مليارات الترانزستورات ، لكنها تقدم مع ذلك.

حوسبة الحمض النووي

في عام 1994 ، صنع ليونارد أدلمان ، عالم الكمبيوتر بجامعة جنوب كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، جهاز كمبيوتر من حساء من الحمض النووي. أظهر أن الحمض النووي يمكن أن يتجمع ذاتيًا في أنبوب اختبار لاستكشاف جميع المسارات الممكنة في مشكلة البائع المتجول الشهير. توقع الخبراء أن تكون حوسبة الحمض النووي تغلب التكنولوجيا القائمة على السيليكون ، لا سيما مع الحوسبة المتوازية على نطاق واسع. في وقت لاحق ، خلص الباحثون إلى أن حوسبة الحمض النووي ليست بالسرعة الكافية للقيام بذلك.

لكن الحمض النووي يحمل بعض المزايا. أظهر الباحثون أنه من الممكن التشفير الشعر و ملفات GIF والأفلام الرقمية في الجزيئات. الكثافة المحتملة مذهلة. يمكن تخزين جميع البيانات الرقمية في العالم في كوب قهوة مليء بالحمض النووي ، المهندسين البيولوجيين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في ورقة في وقت سابق من هذا العام. المصيد هو التكلفة: قال أحد المؤلفين المشاركين لاحقًا إن تخليق الحمض النووي يجب أن يكون أرخص بست مرات من حيث الحجم للتنافس مع الشريط المغناطيسي.

ما لم يتمكن الباحثون من خفض تكلفة تخزين الحمض النووي ، ستبقى أشياء الحياة عالقة في الخلايا.

الوقت في المكان والزمان على الأرض

الالكترونيات الجزيئية

رمز الجزيء

إنها رؤية مقنعة: فالترانزستورات تصبح أصغر وأصغر ، فلماذا لا تقفز للأمام وتصنع من الجزيئات الفردية ؟ سوف تجعل المفاتيح ذات مقياس النانومتر شريحة فعالة من حيث التكلفة ومعبأة بكثافة. قد تتمكن الرقائق من تجميع نفسها بفضل التفاعلات بين الجزيئات .

تسابقت المجموعات في Hewlett-Packard وأماكن أخرى في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين لجعل الكيمياء والإلكترونيات يعملان معًا.

ولكن بعد عقود من العمل ، لا يزال حلم الإلكترونيات الجزيئية هو ذلك فقط. وجد الباحثون أن الجزيئات المفردة يمكن أن تكون صعبة ، وتعمل كترانزستورات في ظل ظروف ضيقة جدًا فقط. لم يُظهر أحد كيف يمكن دمج الأجهزة أحادية الجزيء بشكل موثوق به في الإلكترونيات الدقيقة المتوازية على نطاق واسع ، كما يقول ريتشارد ماكريري ، الكيميائي في جامعة ألبرتا.

لم يختف حلم الإلكترونيات الجزيئية تمامًا ، لكن هذه الأيام تراجعت إلى حد كبير إلى مختبرات الكيمياء والفيزياء ، حيث يواصل الباحثون تكافح من أجل صنع جزيئات متقلبة إلى ما لا نهاية تصرف.

ماذا سيأتي بعد ذلك؟

لا يزال السيليكون هو السائد ، ولكن الوقت ينفد بالنسبة لأشباه الموصلات المفضلة لدى الجميع. الأخيرة خارطة الطريق الدولية للأجهزة والأنظمة (IRDS) يشير إلى أنه من المتوقع أن تتوقف الترانزستورات عن الانكماش بعد عام 2028 وأن الدوائر المتكاملة ستحتاج إلى تكديسها في ثلاثة أبعاد للحفاظ على إمكانية صنع رقائق أسرع وأكثر كفاءة.

قد يكون هذا هو الوقت الذي تجد فيه أجهزة الحوسبة الأخرى فرصة ، ولكن فقط بالتزامن مع تقنية السيليكون. يستكشف الباحثون طرقًا هجينة لصنع الرقائق. في عام 2017 ، قام الباحثون الذين أحرزوا تقدمًا في استخدام ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية بدمجها مع طبقات من memristors غير المتطايرة وأجهزة السيليكون - وهو نموذج أولي لنهج لتحسين السرعة واستهلاك الطاقة في الحوسبة من خلال الابتعاد عن العمارة التقليدية.

يقول مالايا من AMD ، إن الرقائق الكلاسيكية القائمة على السيليكون ستحقق بعض التقدم. لكنه يضيف ، أعتقد أن المستقبل سيكون غير متجانس ، حيث تُستخدم جميع التقنيات على الأرجح بطريقة مكملة للحوسبة التقليدية.

بعبارة أخرى ، سيظل المستقبل هو السيليكون. لكنها ستكون أشياء أخرى أيضًا.

لاكشمي شاندراسيكاران هو كاتب علمي مستقل مقيم في شيكاغو .

يخفي

التقنيات الفعلية

فئة

غير مصنف

تكنولوجيا

التكنولوجيا الحيوية

سياسة التكنولوجيا

تغير المناخ

البشر والتكنولوجيا

وادي السيليكون

الحوسبة

مجلة Mit News

الذكاء الاصطناعي

الفراغ

المدن الذكية

بلوكشين

قصة مميزة

الملف الشخصي للخريجين

اتصال الخريجين

ميزة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

1865

وجهة نظري

77 Mass Ave

قابل المؤلف

ملامح في الكرم

شوهد في الحرم الجامعي

خطابات الخريجين

أخبار

انتخابات 2020

فهرس With

تحت القبه

خرطوم الحريق

قصص لانهائية

مشروع تكنولوجيا الوباء

من الرئيس

غلاف القصه

معرض الصور

موصى به