Che fine ha fatto il calcolo del DNA?

Quando fu creato il primo transistor, nel 1947, pochi avrebbero potuto immaginare l'impatto finale di questo dispositivo, l'interruttore che si trova al centro dei chip logici.

Dobbiamo ringraziare il silicio per la grande acquisizione di potere dell'informatica. Aggiungi un pizzico di impurità all'elemento e il silicio forma un materiale quasi ideale per i transistor nei chip dei computer.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2021

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Per più di cinque decenni, gli ingegneri hanno ridotto continuamente i transistor a base di silicio, creando computer progressivamente più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico. Ma la lunga serie di vittorie tecnologiche e la miniaturizzazione che l'ha resa possibile non possono durare per sempre. C'è bisogno di una tecnologia per battere il silicio, perché stiamo raggiungendo enormi limiti su di esso, afferma Nicholas Malaya, uno scienziato computazionale presso AMD in California.

Quale potrebbe essere questa tecnologia successiva? Non sono mancati approcci informatici alternativi proposti negli ultimi 50 anni. Ecco cinque di quelli più memorabili. Tutti avevano un sacco di clamore, solo per essere schiacciati dal silicio. Ma forse c'è ancora speranza per loro.

Spintronica

I chip per computer sono costruiti attorno a strategie per controllare il flusso di elettroni, più specificamente, la loro carica. Oltre alla carica, tuttavia, gli elettroni hanno anche momento angolare, o spin, che può essere manipolato con campi magnetici. La spintronica è emersa negli anni '80, con l'idea che lo spin può essere usato per rappresentare i bit : una direzione potrebbe rappresentare uno e l'altro 0 .

In teoria, i transistor spintronici possono essere ridotti, consentendo chip densamente imballati. Ma in pratica è stata dura trovare le sostanze giuste per costruirli. I ricercatori affermano che molta scienza dei materiali di base deve ancora essere elaborata.

Tuttavia, le tecnologie spintroniche sono state commercializzate in alcune aree molto specifiche, afferma Gregory Fuchs, fisico applicato alla Cornell University di Ithaca, New York. Finora, il più grande successo per la spintronica è stata la memoria non volatile, il tipo che impedisce la perdita di dati in caso di interruzione di corrente. La STT-RAM (per la memoria ad accesso casuale della coppia di trasferimento dello spin) è in produzione dal 2012 e può essere trovata nelle strutture di archiviazione cloud.

Memori

L'elettronica classica si basa su tre componenti: condensatore, resistore e induttore. Nel 1971, l'ingegnere elettrico Leon Chua teorizzò un quarto componente che chiamò memristor, per il resistore di memoria. Nel 2008, i ricercatori della Hewlett-Packard hanno sviluppato il primo pratico memristor, utilizzando il biossido di titanio.

È stato eccitante perché i memristori possono in teoria essere usati sia per la memoria che per la logica. I dispositivi ricordano l'ultima tensione applicata, quindi conservano le informazioni anche se spenti. Differiscono anche dai normali resistori in quanto la loro resistenza può cambiare a seconda della quantità di tensione applicata. Tale modulazione può essere utilizzata per eseguire operazioni logiche. Se eseguite all'interno della memoria di un computer, tali operazioni possono ridurre la quantità di dati da trasferire tra la memoria e il processore.

I memristori hanno fatto il loro debutto commerciale come memoria non volatile, chiamata RRAM o ReRAM, per memoria ad accesso casuale resistivo. Ma il campo va ancora avanti. Nel 2019, i ricercatori hanno sviluppato un chip da 5.832 memristor che può essere utilizzato per l'intelligenza artificiale.

Nanotubi di carbonio

Il carbonio non è un semiconduttore ideale. Ma nelle giuste condizioni può essere fatto formare nanotubi che sono ottimi. I nanotubi di carbonio sono stati trasformati per la prima volta in transistor all'inizio degli anni 2000 e gli studi hanno dimostrato che potrebbero esserlo 10 volte più efficiente dal punto di vista energetico del silicio.

In effetti, dei cinque transistor alternativi discussi qui, i nanotubi di carbonio potrebbero essere i più lontani. In 2013 , i ricercatori di Stanford hanno costruito il primo computer funzionale al mondo alimentato interamente da transistor a nanotubi di carbonio , anche se semplice.

Ma i nanotubi di carbonio tendono ad arrotolarsi in palline e ad addensarsi come spaghetti. Inoltre, i metodi di sintesi più convenzionali producono nanotubi semiconduttori e metallici in un mix disordinato. Gli scienziati dei materiali e gli ingegneri hanno cercato modi per correggere e aggirare queste imperfezioni. Nel 2019, i ricercatori del MIT hanno utilizzato tecniche migliorate per realizzare un microprocessore a 16 bit con oltre 14.000 transistor a nanotubi di carbonio . È ancora lontano da un chip di silicio con milioni o miliardi di transistor, ma è comunque un progresso.

Computazione del DNA

Nel 1994, Leonard Adleman, uno scienziato informatico della University of Southern California a Los Angeles, ha creato un computer da una zuppa di DNA. Ha mostrato che il DNA potrebbe autoassemblarsi in una provetta per esplorare tutti i possibili percorsi nel famoso problema del commesso viaggiatore. Gli esperti avevano previsto che il calcolo del DNA lo avrebbe fatto colpo tecnologia basata sul silicio, in particolare con il calcolo parallelo di massa. Successivamente, i ricercatori hanno concluso che il calcolo del DNA non è abbastanza veloce per farlo.

Ma il DNA ha alcuni vantaggi. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile codificare poesia , GIF e film digitali nelle molecole. La densità potenziale è sbalorditiva. Tutti i dati digitali del mondo potrebbero essere archiviati in una tazza da caffè piena di DNA, ingegneri biologici al MIT stimato in un documento all'inizio di quest'anno. Il problema è il costo: un coautore in seguito ha affermato che la sintesi del DNA dovrebbe essere sei ordini di grandezza in meno per competere con il nastro magnetico.

A meno che i ricercatori non riescano a ridurre i costi di conservazione del DNA, le cose della vita rimarranno bloccate nelle cellule.

Elettronica molecolare

È una visione avvincente: i transistor continuano a diventare sempre più piccoli, quindi perché non saltare avanti e creare loro da singole molecole ? Gli interruttori su scala nanometrica renderebbero un chip estremamente conveniente e densamente imballato. I chip potrebbero anche essere in grado di assemblarsi da soli grazie a interazioni tra le molecole .

I gruppi alla Hewlett-Packard e altrove nei primi anni 2000 hanno gareggiato per far lavorare insieme la chimica e l'elettronica.

Ma dopo decenni di lavoro, il sogno dell'elettronica molecolare è ancora proprio questo. I ricercatori hanno scoperto che le singole molecole possono essere schizzinose, funzionando come transistor solo in condizioni molto ristrette. Nessuno ha dimostrato come i dispositivi a singola molecola possano essere integrati in modo affidabile in microelettronica massicciamente parallela, afferma Richard McCreery, un chimico dell'Università di Alberta.

Il sogno dell'elettronica molecolare non è del tutto morto, ma in questi giorni è in gran parte relegato nei laboratori di chimica e fisica, dove continuano i ricercatori lottando per creare molecole infinitamente volubili comportarsi.

Quello che viene dopo?

Il silicio regna ancora sovrano, ma il tempo stringe per il semiconduttore preferito da tutti. L'ultimo Roadmap internazionale per dispositivi e sistemi (IRDS) suggerisce che i transistor dovrebbero smettere di ridursi dopo il 2028 e che i circuiti integrati dovranno essere impilati in tre dimensioni per continuare a rendere possibili chip più veloci ed efficienti.

Questo potrebbe essere il momento in cui altri dispositivi informatici trovano un'apertura, ma solo in combinazione con la tecnologia del silicio. I ricercatori stanno esplorando approcci ibridi per la produzione di chip. Nel 2017, i ricercatori che avevano fatto progressi con i transistor a nanotubi di carbonio li hanno integrati con strati di memristori non volatili e dispositivi al silicio, un prototipo per un approccio per migliorare la velocità e il consumo di energia nell'informatica allontanandosi dall'architettura tradizionale.

I classici chip a base di silicio faranno ancora qualche progresso, afferma la Malesia di AMD. Ma, aggiunge, penso che il futuro sarà eterogeneo, in cui tutte le tecnologie verranno utilizzate probabilmente in modo complementare all'informatica tradizionale.

In altre parole, il futuro sarà ancora il silicio. Ma saranno anche altre cose.

Lakshmi Chandrasekaran è uno scrittore scientifico freelance con sede a Chicago .

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