Computer nach Silizium

Vor vier Jahren vollzogen R. Stanley Williams, Chemieprofessor an der UCLA, und der Computerriese Hewlett-Packard (HP) gleichzeitig in der Mitte ihrer Karriere Veränderungen. Das Unternehmen war zu einem der weltweit führenden Computer- und Mikroprozessorhersteller herangewachsen, hatte aber noch keine Grundlagenforschungsgruppe. Williams hatte die letzten fünfzehn Jahre in der Wissenschaft verbracht und befürchtete, den Kontakt mit der Realität des Unternehmens zu verlieren (zuvor hatte er mehrere Jahre bei Bell Laboratories gearbeitet.) Die Lösung: ein von Williams geleitetes Grundlagenforschungslabor bei HP.

Als Leiter des Labors ist Williams' Hauptanliegen die Zukunft der Computer. Die fortschreitende Miniaturisierung von integrierten Schaltkreisen auf Siliziumbasis hat zu kleineren, billigeren und leistungsfähigeren Maschinen geführt. Moderne Chips haben heute Features von nur mehreren hundert Nanometern (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter). Das ist klein. Aber Williams Berechnungen zufolge wird die Fähigkeit, siliziumbasierte Geräte weiter zu verkleinern, voraussichtlich um 2010 herum zum Erliegen kommen. Solche Vorhersagen sind kaum schockierend – andere Silicon Valley-Experten sind zu ähnlichen Schlussfolgerungen gekommen. Überraschend ist, dass Williams glaubt, dass er und seine Mitarbeiter bei HP und UCLA eine Lösung gefunden haben: einen lebensfähigen Erben von Silizium.

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Wenn Williams Recht hat, wird die Computertechnik eines Tages auf Komponenten im Nanometerbereich angewiesen sein, die billig und einfach mit einfacher Chemie zusammengebaut werden können. Anstelle der heutigen Technik des präzisen Einritzens von Merkmalen auf Siliziumchips, um komplexe und nahezu perfekte Muster zu erzeugen, tauchen Techniker Substrate in Bottiche mit Chemikalien. Und wenn die Mischung stimmt, bauen sich Drähte und Schalter chemisch aus diesen Materialien zusammen. Es würde winzige, kostengünstige und immens leistungsstarke Computer ermöglichen. Dies ist eine faszinierende Vision. Doch schließlich stecken im Silicon Valley (und in der Publikumspresse) faszinierende Visionen der Zukunft des Computers. Was die Kreationen, die Williams bei HP kocht, noch überzeugender macht, ist, dass es sich nicht nur um Ideen handelt. Letztes Jahr veröffentlichten Williams und seine Mitarbeiter einen Bericht in Science, in dem sie eine Computerarchitektur beschrieben, die chemisch zusammengesetzte Schaltkreise möglich machen könnte; und im Juli dieses Jahres veröffentlichte die Gruppe ein zweites Science-Paper, das diesmal die Synthese einer ersten potentiellen Komponente ihrer computermolekularen elektronischen Schalter beschreibt. Die Ergebnisse machten Schlagzeilen in Zeitungen im ganzen Land.



In den Wochen vor dem Medienrummel KINDER Senior Editor David Rotman plauderte mit Williams über Computer nach Silizium, Grundlagenforschung in High-Tech-Unternehmen und seinen ganz persönlichen Übergang von der Universität in die Privatwirtschaft.

TR: Sie kamen 1995 zu HP, um ein Labor für Grundlagenforschung aufzubauen, nachdem Sie Professor an der UCLA waren. Was war Ihre Mission?
WILLIAMS: Hewlett-Packard hatte nie wirklich eine Grundlagenforschungsgruppe. In der Vergangenheit gab es Diskussionen innerhalb von HP, in denen gesagt wurde, wir sollten wirklich mehr Grundlagenforschung betreiben, wir sollten das Wissen wirklich irgendwie in die philosophischen Diskussionen zurückbringen. Und es gab immer ein paar Leute, die grundlegende Arbeit leisteten. HP erkannte jedoch, dass eine separate Gruppe geschaffen werden musste, die mehr von den täglichen Anforderungen der Produktforschung isoliert war, um nachhaltige Anstrengungen zu unternehmen. Ich wurde kontaktiert und gefragt, ob ich Interesse hätte, eine Grundlagenforschungsgruppe aufzubauen. Ich war fest davon überzeugt und glaube sogar noch stärker daran, dass Grundlagenforschung einen echten Wert für ein Unternehmen hat.

TR: Wie demonstrieren Sie diesen Wert?
WILLIAMS: Es gibt mehrere Möglichkeiten. Eine besteht darin, eine Vision dafür zu geben, wie Elektronik und Computer in einem Zeitrahmen von 10 Jahren aussehen werden. Wir agieren auch als Technologieradar. Wir hören oft vor den Leuten in den Schützengräben von Entwicklungen und können sie auf interessante Gelegenheiten oder vielleicht Bedrohungen aufmerksam machen. Außerdem arbeiten wir an so grundlegenden Themen, dass der Gewinn für das Unternehmen enorm sein wird, wenn wir erfolgreich sind. Und sie wissen es. Jedes intelligente Anlageportfolio hat ein paar Long Shots.

TR: Hat sich seit der Inbetriebnahme des Labors alles so entwickelt, wie Sie es erwartet hatten?
WILLIAMS: Als ich zu HP kam, hatte ich sehr nebulöse Vorstellungen von der Elektronik der Zukunft. Jetzt haben wir eine Roadmap. Das war erstaunlich. Es gibt ein paar Dinge, die nicht so geklappt haben, wie ich es erwartet hatte. Ich hatte gehofft, mehrere gemeinsame Forschungsprojekte mit den eher angewandten Labors zu haben. Auch wenn die Forscher selbst an einer Zusammenarbeit mit uns interessiert sind und ihre Manager sie dazu ermutigen, können diese Kooperationen nicht aufrecht erhalten werden, wenn die Mitarbeiter Termine einhalten müssen. Ein weiteres Problem ist, dass wir mit vielen wirtschaftlich wichtigen Projekten im Wettbewerb um Fördermittel standen und die Grundlagenforschung daher nicht so schnell gewachsen ist, wie es mir bei meiner Einstellung vorgestellt wurde. Wir fangen gerade erst an, ein bisschen zu wachsen.

TR: Wie gut schneidet die Hightech-Industrie in der Grundlagenforschung ab? Schafft es das richtige Gleichgewicht zwischen der Bereitstellung von Grundlagenwissenschaften und dem Blick auf das Endergebnis?
WILLIAMS: Generell nein. In der heutigen hart umkämpften Umgebung kann jedes High-Tech-Unternehmen innerhalb von drei Jahren pleitegehen – oder deutlich weniger mit der Einführung der Internetzeit. Es ist sehr schwierig, auf die Langfristigkeit zu achten, die für die Vorstände mancher Unternehmen das übernächste Quartal ist. Selbst in den Forschungslabors von Unternehmen hat der Druck, sich besser auf Produktbereiche auszurichten, Forschungs- und Entwicklungszyklen zu verkürzen und alltägliche Brände zu bekämpfen, die Sichtweise der meisten Manager und Forscher auf nur wenige Jahre reduziert.

TR: Was bedeutet das für die Computerindustrie?
WILLIAMS: Ich denke, dass eine starke Grundlagenforschungskomponente in einem Unternehmenslabor zu einem strategischen Vorteil wird. Dies gilt insbesondere für die Hightech-Unternehmen, die auf den Fortschritt in der Elektronik angewiesen sind. Es wird eine enorme wirtschaftliche Belohnung für die Unternehmen und Länder geben, die erfolgreich Strukturen im Nanometerbereich und Quantenphänomene für Rechen-, Kommunikations- und Messanwendungen nutzen. Diese befinden sich alle noch auf dem Niveau der Grundlagenforschung, aber sie werden die Grundlagen der Technik sein, lange bevor ich in den Ruhestand gehe. Unternehmen, die mit der Entwicklung nicht Schritt halten, werden später nicht aufholen können. Die Fortune 100 wird in zehn Jahren ganz anders aussehen als jetzt, und ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal werden Investitionen in die Grundlagenforschung sein.

TR: Lassen Sie uns genauer über die Zukunft der Computer sprechen. Sie verweisen oft auf die Grenzen des siliziumbasierten Computings. Was sind das für Grenzen?
WILLIAMS: Es gibt zwei sehr unterschiedliche Probleme, denen sich die Halbleiterindustrie in den nächsten zehn Jahren gegenübersieht. Einer ist wirtschaftlich. Die Kosten für den Bau von Fabriken zur Herstellung jeder neuen Generation von Siliziumchips sind alle drei Jahre um den Faktor zwei gestiegen. Eine Fabrik im Wert von 10 Milliarden US-Dollar oder eine Fab ist nicht weit entfernt. Bis 2010 wird eine Fabrik voraussichtlich 30 Milliarden Dollar kosten. Das zweite Problem, das einer der Hauptgründe für das erste ist, besteht darin, dass siliziumbasierte Transistoren beginnen, einige grundlegende physikalische und Materialbeschränkungen zu erfahren, da sie immer kleiner werden. Zum Beispiel geht die Anzahl der Elektronen, die zum Ein- und Ausschalten eines Feldeffekttransistors – der Hauptstütze heutiger Computer – verwendet werden, in die Hunderte, und wenn die Zahl viel geringer wird, wird es ernsthafte Probleme mit statistischen Schwankungen geben, die zufällig wirken können schalte es ein und aus. Es gibt auch Probleme im Zusammenhang mit der Physik der traditionellen Lithographie [der Verwendung von Licht zum Ätzen von Mustern auf Siliziumchips], wie zum Beispiel die genaue Positionierung von Wafern mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern. Für jedes dieser Probleme gibt es eine technologische Lösung, die eine oder zwei weitere Generationen von Schrumpfung verdrängen kann, aber die Tatsache, dass jetzt so viele Probleme gleichzeitig angegangen werden müssen, ist fast überwältigend.

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TR: Wird die siliziumbasierte Technologie plötzlich gegen eine Wand stoßen?
WILLIAMS: Aus physikalischer Sicht gibt es keinen Grund, warum die Industrie nicht auf Geräte mit einer Größe von nur 50 Nanometern eingehen sollte. Aber das Problem ist, dass der Weg dorthin immer anspruchsvoller und teurer wird. Anstatt zu versuchen, das Spiel zu spielen, werden viele Unternehmen eine wirtschaftliche Entscheidung treffen, dass sie keine hochmodernen Chips herstellen werden. Ich predige das schon seit einiger Zeit und bin selbst überrascht, wie schnell das geht. National Semiconductor – hier ist ein Unternehmen mit Halbleitern im Namen – wird keine Mikroprozessoren der nächsten Generation mehr herstellen. Tatsächlich hat Hewlett-Packard kürzlich angekündigt, seine fortschrittlichen Prozessoren in einer Gießerei bauen zu lassen (Gießereien sind Fabriken, die Geräte auf Vertragsbasis herstellen). Irgendwann wird es weltweit ein oder zwei Fabs geben, die Geräte auf dem neuesten Stand der Technik bauen, und diese Fabs werden wahrscheinlich zum großen Teil von den Regierungen finanziert. Was bedeutet, dass es in den Vereinigten Staaten wahrscheinlich nicht passieren wird.

TR: Und wie lange wird das bei diesem Tempo dauern?
WILLIAMS: Ich vermute, dass es vor 2012 sein wird. Es ist ein großes Hühnerspiel. Wer ist bereit, das Geld für eine neue Fab auszugeben?

TR: Wie werden sich die rasant steigenden Produktionskosten und die Folgewirkungen des Ausstiegs von Unternehmen aus der Fertigung auf die Mikroelektronik auswirken?
WILLIAMS: Die Preise für die Artikel, die wir heute kaufen, werden nicht wesentlich steigen, aber wir werden nicht die dramatischen Leistungssteigerungen und Kostensenkungen für siliziumbasierte Geräte erleben, die wir in der Vergangenheit gesehen haben. Und die Tatsache, dass so viele große Unternehmen aus der Siliziumprozessforschung aussteigen, wird der Innovation in der Mikroelektronik definitiv für eine Weile schaden. Dies wird jedoch auch vielen Kleinunternehmern und Erfindern die Tür öffnen, die ganz neue elektronische Geräte und Herstellungsverfahren entwickeln möchten. Ich denke, das nächste Jahrzehnt wird eine der größten Kreativitätsexplosionen bieten, die wir seit der Erfindung des Transistors gesehen haben.

TR: Sie haben vorausgesagt, dass siliziumbasierte Bauelemente bei der derzeitigen Schrumpfungsrate um 2010 an grundlegende Grenzen stoßen werden. Was die Suche und Entwicklung neuer Technologien zum Ersatz von Silizium angeht, ist es wirklich nicht so weit in der Zukunft, oder?
WILLIAMS: Es ist erschreckend nah. Einen definitiven Erben der Siliziumtechnologie gibt es noch nicht. Um bis dahin eine neue Technologie fertig zu haben, müssen wir jetzt hart arbeiten. Wir bei HP haben einen unserer Meinung nach ziemlich guten Kandidaten, aber ich denke, dass die Technologie und die zukünftige Wirtschaft dieses Landes viel besser dran wären, wenn es mehr als einen Erben gäbe, wenn mehrere Gruppen mit einzigartigen Ideen im Wettbewerb stehen würden. Es gibt ein paar gute Ideen, aber nicht genug.

TR: Ich bin überrascht, dass es nicht mehr gibt, wenn man bedenkt, was auf dem Spiel steht.
WILLIAMS: Ein Großteil der Forschung findet auf der Ebene diskreter Geräte statt. Aber es gibt nur sehr wenige Arbeiten im architektonischen Maßstab. Anstatt diskrete Grundeinheiten zu betrachten, betrachten wir die Funktion einer ganzen Schaltung.

TR: Anstatt zu versuchen, Dinge im Nanometerbereich herzustellen und sich dann Gedanken darüber zu machen, wie Sie sie möglicherweise verwenden können, haben Sie bereits im Hinterkopf…
WILLIAMS: Eine potentielle Gesamtstruktur. Die meisten Leute, die in diesem Bereich arbeiten, versuchen im Wesentlichen herauszufinden, wie man ein molekulares Analogon eines bestehenden elektronischen Geräts herstellen kann; Dann hoffen sie, dass sie herausfinden, wie man all diese Dinge miteinander verbindet, um eine Schaltung oder ein System zu bilden. Die Leute arbeiten im Wesentlichen hart daran, einen einzigen Stein zu bauen, und hoffen, dass sie, sobald sie es geschafft haben, herausfinden können, wie sie etwas daraus bauen können. Auf der anderen Seite haben wir die Architekturzeichnung des gesamten Gebäudes und wir suchen nach den besten Materialien, um dieses Gebäude zu bauen.

TR: Ihr Ziel ist es, mit dieser Blaupause einen völlig neuen Computertyp zu bauen, der eher mit Chemie als mit Lithographie hergestellt wird, nicht wahr?
WILLIAMS: Unser Ziel ist die Herstellung von Schaltungen in einfachen Chemieabzügen mit Bechergläsern und üblichen chemischen Verfahren. Anstatt unglaublich komplexe und perfekte Geräte herzustellen, die sehr teure Fabriken erfordern, würden wir Geräte herstellen, die eigentlich sehr einfach sind und anfällig für Herstellungsfehler sind. Sie wären außerordentlich kostengünstig herzustellen, und der größte Teil des wirtschaftlichen Werts würde in ihrer Programmierung liegen.

TR: Es scheint ein wenig kontraintuitiv, dass die Mikroelektronik noch kleiner und leistungsfähiger werden kann, wenn sie defekt ist.
WILLIAMS: Vor einem Jahr haben wir in Science einen Artikel veröffentlicht, in dem wir darüber sprechen, was erforderlich ist, um einen Computer mit chemischer Zusammensetzung herzustellen. Die Antwort war, dass Sie eine Computerarchitektur benötigen, die es den Systemen ermöglicht, viele Herstellungsfehler und viele Fehler zu haben. Wir nennen das Architekturfehlertolerant. Wir haben ein Beispiel für einen Computer besprochen, der hier bei Hewlett-Packard namens Teramac gebaut wurde. Dies ist unser Computer-Archetyp; Wir denken, dass in Zukunft Dinge, die auf molekularen oder nanometergroßen Objekten basieren, diese fehlertoleranten Designs als Teil ihrer Organisationsprinzipien haben müssen, weil es unmöglich sein wird, so kleine Dinge perfekt zu machen.

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TR: Erzählen Sie uns etwas über die Ursprünge Ihres Interesses an Teramac.
WILLIAMS: James Heath, ein Chemieprofessor an der UCLA, und ich verbrachten mindestens anderthalb Jahre damit, es zu studieren, bevor wir bereit waren, etwas zu bauen. Wir führten eine Reihe von Diskussionen mit einem Computerarchitekten bei HP, Philip Kuekes, über Fehlertoleranz, und Phil begann mit uns über diesen Computer zu sprechen, den er mitgebaut hatte. Sie hatten sich entschieden, es aus unvollkommenen oder defekten Siliziumkomponenten zu bauen, weil diese viel billiger wären und alle auftretenden Probleme mit einer cleveren Software lösen würden.

TR: Mit anderen Worten, Sie zahlen für die Perfektion eines Materials.
WILLIAMS: Absolut. Perfektion kostet viel Geld. Und je komplexer Sie werden, desto höher werden die Kosten für die Perfektion. Das ist der Hauptgrund, warum die Kosten für Fabs exponentiell steigen. Was wir sagen ist, wenn wir Dinge herstellen können, die unvollkommen sind, aber dennoch perfekt funktionieren, können wir sie viel billiger bauen.

TR: Wie lässt man etwas Unvollkommenes perfekt funktionieren?
WILLIAMS: Teramac hat eine Architektur, die auf sehr regelmäßigen Strukturen beruht, die als Crossbars bezeichnet werden und es Ihnen ermöglichen, jeden Eingang mit jedem Ausgang zu verbinden. Wenn ein bestimmter Schalter oder Draht im System defekt ist, können Sie ihn umgehen. Sie können die Probleme vermeiden. Es stellte sich heraus, dass Teramac einen riesigen Bonus hatte. Es ist nicht nur in der Lage, Herstellungsfehler zu kompensieren, sondern Teramac konnte auch sehr schnell programmiert werden und führte diese Programme mit unglaublicher Geschwindigkeit aus, da es über diese enorme Kommunikationsbandbreite verfügte.

TR: Wie konstruiert, verwendet Teramac Siliziumchips, wenn auch defekte. Ihr Interesse besteht jedoch darin, diese Architektur zu verwenden, um einen Computer mit chemischen Prozessen zu bauen. Warum ist es für diese Anwendung so vielversprechend?
WILLIAMS: Teramac wurde als Werkzeug entwickelt, um den Nutzen der Fehlertoleranz für den kostengünstigeren Aufbau komplexer Systeme zu demonstrieren. Obwohl es ein Erfolg war, ist ein Desktop-Teramac noch nicht wirtschaftlich. Es mag sein, dass Teramac-ähnliche Architekturen dazu beitragen werden, integrierte Siliziumschaltungen um eine Generation oder so zu erweitern, indem sie den Bau von Fabs billiger machen, aber wir sehen das enorme Potenzial dieser Architektur in der chemischen Herstellung integrierter Schaltungen. Das Zusammenbauen und Bestellen von Geräten auf chemischem Wege ist ein von Natur aus fehleranfälliger Prozess. Aber wir haben jetzt den Beweis, dass ein stark defektes System einwandfrei funktionieren kann.

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TR: Diese tatsächliche Architektur könnte eine tatsächliche Möglichkeit bieten, Computer zu betreiben?
WILLIAMS: Es ist echt. Die Hardware wurde gebaut, getestet und programmiert. Die Konzepte sind sehr gut verstanden und sehr robust. Der zweite Schritt von all dem besteht nun darin, zu sehen, ob wir die Ideen aus der Grundlagenforschung der Nanotechnologie – die Ideen der Selbstorganisation, der Konstruktion kleiner regelmäßiger Einheiten durch chemische Verfahren – nutzen können, um tatsächlich etwas Nützliches herzustellen. Unser Science Paper vom Juli dieses Jahres ist unserer Meinung nach der erste große Schritt in diese Richtung, indem wir zeigen, dass molekulares elektronisches Schalten möglich ist.

TR: Was kommt als nächstes?
WILLIAMS: Wir hoffen, innerhalb von zwei Jahren chemisch einen funktionsfähigen 16-Bit-Speicher zusammenbauen zu können, der in ein Quadrat von 100 Nanometern Seitenlänge passt. Heutzutage ist ein Bit in einem Siliziumspeicher viel größer als ein Quadratmikrometer. Wir suchen also nach einer Skalierung der Speicherdichte von mindestens drei Größenordnungen. Unser längerfristiges Ziel ist es, offen gesagt, einen kompletten Computer zu bauen, der ausschließlich chemische Prozesse verwendet. Dieses besondere Ziel ist in 10 Jahren, wenn alles gut läuft, und selbst dann werden wir ziemlich einfache Schaltungen bauen. Aber irgendwo muss es anfangen.

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