یک پیشگام در صنعت فناوری راهی برای پیشروی ایالات متحده در تراشه های پیشرفته می بیند

شش دهه از زمانی که ایوان ساترلند Sketchpad را ایجاد کرد، یک سیستم نرم افزاری که آینده محاسبات تعاملی و گرافیکی را پیش بینی می کرد، می گذرد. در دهه 1970، او نقشی در افزایش صنعت کامپیوتر برای ساخت نوع جدیدی از ریزتراشه با صدها هزار مدار ایفا کرد که پایه و اساس صنعت نیمه هادی امروزی خواهد بود.

اکنون دکتر ساترلند، 84 ساله، معتقد است که ایالات متحده در برهه‌ای حساس در بررسی فناوری‌های جایگزین ساخت تراشه که به این کشور اجازه می‌دهد تا پیشتازی را در ساخت پیشرفته‌ترین رایانه‌ها پس بگیرد، شکست می‌خورد.

او ادعا می کند که با تکیه بر مدارهای الکترونیکی فوق خنک که بدون مقاومت الکتریکی سوئیچ می کنند و در نتیجه گرمای اضافی را در سرعت های بالاتر تولید نمی کنند، طراحان کامپیوتر قادر خواهند بود بزرگترین مانع تکنولوژیکی برای ماشین های سریعتر را دور بزنند.

او و یکی از همکارانش اخیراً در مقاله‌ای که در میان فن‌آوران و مقامات دولتی منتشر شد، نوشتند: «ملتی که از فرصت مدارهای دیجیتال ابررسانا به بهترین شکل استفاده کند، برای دهه‌های آینده از برتری محاسباتی برخوردار خواهد شد.

دکتر. بینش ساترلند تا حدی قابل توجه است زیرا او دهه‌ها پیش در کمک به ایجاد رویکرد غالب امروزی در ساخت تراشه‌های کامپیوتری نقش داشت.

در دهه 1970، دکتر. ساترلند که رئیس دپارتمان علوم کامپیوتر در موسسه فناوری کالیفرنیا بود و برادرش برت ساترلند که در آن زمان مدیر تحقیقاتی در بخش زیراکس به نام مرکز تحقیقات پالو آلتو بود، دانشمند کامپیوتر لین کانوی را به فیزیکدان کارور مید معرفی کردند. .

آنها پیشگام طراحی مبتنی بر نوعی ترانزیستور، معروف به نیمه هادی اکسید فلزی مکمل یا CMOS بودند که در ایالات متحده اختراع شد. این امکان ساخت ریزتراشه‌های مورد استفاده توسط رایانه‌های شخصی، بازی‌های ویدیویی و طیف وسیعی از محصولات تجاری، مصرف‌کننده و نظامی را فراهم کرد.

اکنون دکتر ساترلند استدلال می‌کند که یک فناوری جایگزین که قبل از CMOS است و شروع‌های اشتباه زیادی داشته است، باید نگاه دیگری داشته باشد. الکترونیک ابررسانا در دهه 1950 در مؤسسه فناوری ماساچوست پیشگام شد و سپس توسط IBM در دهه 1970 پیش از آن که تا حد زیادی متروک شد، دنبال شد. در یک مقطع، حتی قبل از بازگشت به ایالات متحده، یک مسیر بین المللی عجیب و غریب انجام داد.

در سال 1987، میخائیل گورباچف، آخرین رهبر اتحاد جماهیر شوروی، مقاله ای را در روزنامه روسی پراودا خواند که در آن پیشرفت خیره کننده در محاسبات در دمای پایین توسط فوجیتسو، غول میکروالکترونیک ژاپنی، توصیف می شود.

آقای. گورباچف ​​کنجکاو شده بود. او می خواست بداند آیا این منطقه ای نبود که اتحاد جماهیر شوروی در آن جا می تواند برتری یابد؟ وظیفه ارائه یک جلسه توجیهی پنج دقیقه ای به دفتر سیاسی اتحاد جماهیر شوروی در نهایت به عهده کنستانتین لیخارف، دانشیار جوان فیزیک در دانشگاه دولتی مسکو افتاد.

با این حال، وقتی او مقاله را خواند، دکتر. لیخارف متوجه شد که خبرنگار پراودا این خبر را اشتباه خوانده است و مدعی شد که تراشه حافظه ابررسانای فوجیتسو پنج مرتبه سریعتر از آن است.

دکتر. لیخارف خطا را توضیح داد، اما او خاطرنشان کرد که این میدان همچنان امیدوار کننده است.

که زنجیره ای از رویدادها را به وجود آورد که از طریق آن دکتر. آزمایشگاه کوچک لیخارف چندین میلیون دلار حمایت تحقیقاتی دریافت کرد و این امکان را برای او فراهم کرد که تیم کوچکی از محققان بسازد و در نهایت، پس از فروپاشی دیوار برلین، به ایالات متحده نقل مکان کند. دکتر. لیخارف در دانشگاه استونی بروک نیویورک سمت فیزیک گرفت و به راه اندازی Hypres، یک شرکت ابررساناهای دیجیتال که هنوز هم وجود دارد، کمک کرد.

شاید داستان به همین جا ختم می شد. اما به نظر می رسد که فناوری گریزان ممکن است یک بار دیگر شتاب بگیرد زیرا هزینه های ساخت تراشه مدرن بسیار زیاد شده است. یک کارخانه نیمه هادی جدید 10 تا 20 میلیارد دلار هزینه دارد و تکمیل آن 5 سال طول می کشد.

دکتر. ساترلند استدلال می‌کند که به جای فشار بر روی فناوری گران‌تر که منجر به کاهش بازدهی می‌شود، ایالات متحده باید آموزش نسلی از مهندسان جوان را در نظر بگیرد که قادر به تفکر خارج از چارچوب هستند.

سیستم‌های محاسباتی مبتنی بر ابررسانا، که در آن مقاومت الکتریکی در سوئیچ‌ها و سیم‌ها به صفر می‌رسد، ممکن است چالش خنک‌کننده‌ای را که به طور فزاینده‌ای مراکز داده جهان را آزار می‌دهد، حل کند.

ساخت تراشه های CMOS تحت سلطه شرکت های تایوانی و کره جنوبی است. ایالات متحده اکنون قصد دارد تقریباً یک سوم از یک تریلیون دلار از پول خصوصی و دولتی را در تلاش برای بازسازی صنعت تراشه این کشور و بازیابی سلطه جهانی خود هزینه کند.

دکتر. ساترلند با سایرین در صنعت همراه است که معتقدند تولید CMOS به محدودیت‌های اساسی رسیده است که هزینه پیشرفت را غیرقابل تحمل می‌کند.

جاناتان کومی، متخصص گفت: «من فکر می‌کنم می‌توانیم با اطمینان بگوییم که باید شیوه طراحی رایانه‌ها را به طور اساسی تغییر دهیم، زیرا ما واقعاً به محدودیت‌های ممکن با فناوری فعلی مبتنی بر سیلیکون نزدیک می‌شویم». در مقیاس بزرگ مورد نیاز انرژی محاسباتی.

از آنجایی که اندازه ترانزیستورها به اندازه صدها یا هزاران اتم کوچک شده است، صنعت نیمه هادی به طور فزاینده ای با چالش های فنی گوناگونی مواجه شده است.

تراشه های ریزپردازنده مدرن نیز از چیزی رنج می برند که مهندسان آن را «سیلیکون تاریک» توصیف می کنند. اگر همه میلیاردها ترانزیستور روی یک تراشه ریزپردازنده مدرن به طور همزمان استفاده شوند، گرمای ایجاد شده توسط آنها تراشه را ذوب می کند. در نتیجه، تمام بخش‌های تراشه‌های مدرن خاموش می‌شوند و تنها برخی از ترانزیستورها در هر زمان کار می‌کنند – کارایی آنها را به مراتب کمتر می‌کند.

دکتر. ساترلند گفت که ایالات متحده باید فناوری های جایگزین را به دلایل امنیت ملی در نظر بگیرد. او پیشنهاد کرد که مزایای یک فناوری محاسباتی ابررسانا ممکن است ابتدا در بازار بسیار رقابتی ایستگاه‌های پایه سلولی، رایانه‌های تخصصی درون برج‌های تلفن همراه که سیگنال‌های بی‌سیم را پردازش می‌کنند، مفید باشد. او گفت که چین به یک نیروی مسلط در بازار برای فناوری 5G فعلی تبدیل شده است، اما تراشه‌های نسل بعدی 6G هم از سرعت فوق‌العاده و هم به میزان قابل‌توجهی نیاز به انرژی کمتر پردازنده‌های ابررسانا سود خواهند برد.

سایر مدیران صنعت نیز موافق هستند. جان ال. هنسی، مهندس برق که رئیس آلفابت و رئیس سابق استنفورد است، می گوید: «ایوان درست می گوید که مشکل برق مسئله بزرگ است. او گفت که تنها دو راه برای حل این مشکل وجود دارد – یا با به دست آوردن کارایی با طراحی جدید، که برای رایانه های عمومی بعید است، یا با ایجاد یک فناوری جدید که به قوانین موجود محدود نمی شود.

یکی از این فرصت‌ها ممکن است ایجاد طرح‌های رایانه‌ای جدید باشد که مغز انسان را تقلید می‌کنند، که شگفت‌انگیز بازده محاسباتی کم مصرف است. تحقیقات هوش مصنوعی در زمینه‌ای که به عنوان محاسبات نورومورفیک شناخته می‌شود، قبلاً از ساخت سیلیکون معمولی استفاده می‌کرد.

Elie Track، مدیر ارشد فناوری Hypres، شرکت ابررسانا، گفت: «واقعاً پتانسیل ایجاد مغز انسان با استفاده از فناوری ابررسانا وجود دارد. در مقایسه با فناوری محاسبات کوانتومی، که هنوز در مراحل اولیه آزمایشی است، «این کاری است که اکنون می‌توان انجام داد، اما متأسفانه سازمان‌های تأمین مالی به آن توجه نکرده‌اند».

شاید هنوز زمان محاسبات ابررسانا فرا نرسیده باشد، تا حدی به این دلیل که هر بار که به نظر می‌رسد دنیای CMOS در شرف نهایی شدن است، مهندسی هوشمندانه بر آن غلبه کرده است.

در سال 2019، تیمی از محققان MIT به رهبری ماکس شولاکر اعلام کردند که یک ریزپردازنده از نانولوله‌های کربنی ساخته‌اند که 10 برابر بازده انرژی تراشه‌های سیلیکونی امروزی را وعده می‌دهد. دکتر. Shulaker با Analog Devices، سازنده نیمه هادی در ویلمینگتون، ماساچوست، برای تجاری سازی نسخه هیبریدی این فناوری کار می کند.

او گفت: “بیشتر و بیشتر، من معتقدم که شما نمی توانید سیلیکون را شکست دهید.” این یک هدف متحرک است و در کاری که انجام می دهد واقعاً خوب است.

اما از آنجایی که سیلیکون به مرزهای اتمی نزدیک می شود، رویکردهای جایگزین بار دیگر امیدوارکننده به نظر می رسند. مارک هوروویتز، دانشمند کامپیوتر دانشگاه استنفورد که به راه اندازی چندین شرکت دره سیلیکون کمک کرده است، گفت که تمایلی به تخفیف دکتر ندارد. اشتیاق ساترلند به الکترونیک ابررسانا.

او می‌گوید: «افرادی که مسیر تاریخ را تغییر داده‌اند، همیشه کمی دیوانه‌اند، اما گاهی اوقات درست دیوانه‌اند.