لقد مرت ستة عقود منذ أن أنشأ إيفان ساذرلاند Sketchpad ، وهو نظام برمجي تنبأ بمستقبل الحوسبة التفاعلية والرسومية. في السبعينيات ، لعب دورًا في حشد صناعة الكمبيوتر لبناء نوع جديد من الرقائق الدقيقة بمئات الآلاف من الدوائر التي أصبحت أساس صناعة أشباه الموصلات اليوم.
الآن ، د. ساذرلاند ، البالغ من العمر 84 عامًا ، قال إن الولايات المتحدة في وقت حرج غير قادرة على التفكير في تقنيات بديلة لصنع الرقائق ستسمح للبلاد باستعادة الصدارة في بناء أجهزة الكمبيوتر الأكثر تقدمًا.
من خلال الاعتماد على الدوائر الإلكترونية فائقة التبريد التي تعمل بدون مقاومة كهربائية ، ونتيجة لذلك ، لا تولد حرارة زائدة بسرعات أعلى ، سيتمكن مصممو الكمبيوتر من تجاوز أكبر حاجز تكنولوجي للآلات الأسرع ، كما يدعي.
كتب هو وزميل له مؤخرًا في مقال تم تداوله بين التقنيين والمسؤولين الحكوميين: “إن الدولة التي تغتنم فرصة الدوائر الرقمية فائقة التوصيل ستتمتع بالتفوق الحاسوبي لعقود قادمة”.
دكتور. ساذرلاند بصيرة هي مهمة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه ساعد منذ عقود في إنشاء نهج مهيمن اليوم لتصنيع رقائق الكمبيوتر.
في السبعينيات ، قدم د ساذرلاند ، الذي كان رئيسًا لقسم علوم الكمبيوتر في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وشقيقه بيرت ساذرلاند ، ثم رئيس الأبحاث في قسم من زيروكس يُدعى مركز بالو ألتو للأبحاث ، وعالم الكمبيوتر لين كونواي للفيزيائي كارفر ميد.
لقد ابتكروا تصميمًا يعتمد على نوع من الترانزستور يُعرف باسم أشباه الموصلات المكونة من أكسيد المعادن ، أو CMOS ، والذي تم اختراعه في الولايات المتحدة. لقد أتاح تصنيع الرقائق الدقيقة التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر الشخصية وألعاب الفيديو ومجموعة واسعة من المنتجات التجارية والاستهلاكية والعسكرية.
الآن يجادل د. ساذرلاند أن التكنولوجيا البديلة التي سبقت CMOS وكان لها العديد من البدايات الخاطئة يجب إعادة النظر فيها. كانت الإلكترونيات فائقة التوصيل رائدة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الخمسينيات من القرن الماضي ، ثم تابعتها شركة IBM في السبعينيات قبل أن يتم التخلي عنها إلى حد كبير. بل إنها قامت في مرحلة ما بمنعطف دولي غريب قبل أن تعود إلى الولايات المتحدة.
في عام 1987 ، قرأ ميخائيل جورباتشوف ، آخر زعيم سوفياتي ، مقالاً في صحيفة برافدا الروسية وصف التقدم المذهل في الحوسبة ذات درجات الحرارة المنخفضة التي حققتها شركة فوجيتسو ، عملاق الإلكترونيات الدقيقة الياباني.
السيد. كان غورباتشوف مفتونًا. ألم يكن هذا مجالًا ، كما أراد أن يعرف ، يمكن أن يتفوق فيه الاتحاد السوفيتي؟ سقطت مهمة تقديم إحاطة لمدة خمس دقائق للمكتب السياسي السوفيتي في النهاية على عاتق كونستانتين ليخاريف ، الأستاذ المساعد الشاب للفيزياء في جامعة موسكو الحكومية.
عندما قرأ المقال قال د. ومع ذلك ، قال ليشاريف إن مراسل برافدا أخطأ في قراءة البيان الصحفي وادعى أن شريحة ذاكرة فوجيتسو فائقة التوصيل كانت أسرع بخمس مرات مما كانت عليه.
دكتور. شرح ليشاريف الخطألكنه أشار إلى أن المجال لا يزال يبشر بالخير.
أدى هذا إلى سلسلة من الأحداث التي من خلالها د. حصل مختبر ليشاريف الصغير على عدة ملايين من الدولارات لتمويل الأبحاث ، مما سمح له بتكوين فريق صغير من الباحثين ، وفي النهاية ، بعد سقوط جدار برلين ، انتقل إلى الولايات المتحدة. دكتور. تولى ليشاريف منصبًا في الفيزياء في جامعة ستوني بروك في نيويورك وساعد في بدئه هيبيريكومشركة رقمية رائدة لا تزال موجودة.
يمكن أن تنتهي القصة هناك. ولكن يبدو أن التكنولوجيا المراوغة قد تنطلق مرة أخرى لأن تكاليف تصنيع الرقائق الحديثة أصبحت هائلة. تبلغ تكلفة مصنع أشباه الموصلات الجديد ما بين 10 إلى 20 مليار دولار ويستغرق إكماله ما يصل إلى خمس سنوات.
دكتور. يجادل ساذرلاند بأنه بدلاً من دفع التكنولوجيا الأكثر تكلفة التي تنتج كفاءة متناقصة ، يجب على الولايات المتحدة التفكير في تدريب جيل من المهندسين الشباب القادرين على التفكير خارج الصندوق.
قد تحل أنظمة الكمبيوتر القائمة على الموصلات الفائقة ، حيث تنخفض المقاومة الكهربائية في المفاتيح والأسلاك إلى الصفر ، تحدي التبريد الذي يعاني منه بشكل متزايد مراكز البيانات في العالم.
تهيمن الشركات التايوانية والكورية الجنوبية على تصنيع رقائق CMOS. تخطط الولايات المتحدة الآن لإنفاق ما يقرب من ثلث تريليون دولار من الأموال الخاصة والعامة في محاولة لإعادة بناء صناعة الرقائق في البلاد واستعادة هيمنتها العالمية.
دكتور. انضم إلى Sutherland آخرون في الصناعة ممن يعتقدون أن تصنيع CMOS يصل إلى حدود أساسية من شأنها أن تجعل تكلفة التقدم باهظة.
قال جوناثان كومي ، متخصص في قوة الحوسبة عالية الطلب.
نظرًا لتقليص حجم الترانزستورات إلى حجم مئات أو آلاف الذرات ، أصبحت صناعة أشباه الموصلات مشوشة بشكل متزايد بسلسلة من التحديات الهندسية.
تعاني رقائق المعالجات الدقيقة الحديثة أيضًا مما يصفه المهندسون بـ “السيليكون الداكن”. إذا تم استخدام كل مليارات الترانزستورات الموجودة على شريحة معالج دقيق حديثة في وقت واحد ، فإن الحرارة التي تولدها ستذيب الشريحة. نتيجة لذلك ، يتم إغلاق أقسام كاملة من الرقائق الحديثة ، ويعمل بعض الترانزستورات فقط في وقت واحد – مما يجعلها أقل كفاءة بكثير.
دكتور. وقال ساذرلاند إن على الولايات المتحدة أن تدرس تقنيات بديلة لأسباب تتعلق بالأمن القومي. واقترح أن فوائد تكنولوجيا الكمبيوتر فائقة التوصيل قد تكون في متناول اليد أولاً في السوق شديدة التنافسية لمحطات القاعدة الخلوية ، وأجهزة الكمبيوتر المتخصصة داخل أبراج الهواتف المحمولة التي تعالج الإشارات اللاسلكية. وقال إن الصين أصبحت قوة مهيمنة في سوق تكنولوجيا 5G الحالية ، لكن رقائق الجيل التالي من الجيل السادس ستستفيد من السرعة القصوى ومتطلبات الطاقة المنخفضة بشكل كبير للمعالجات فائقة التوصيل.
يتفق قادة الصناعة الآخرون. هينيسي ، مهندس كهرباء ورئيس شركة ألفابت والرئيس السابق لستانفورد: “إيفان محق في أن مشكلة الطاقة هي المشكلة الكبرى”. وقال إن هناك طريقتين فقط لحل المشكلة – إما عن طريق تحقيق الكفاءة مع التصميم الجديد ، وهو أمر غير مرجح بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر العادية ، أو عن طريق إنشاء تقنية جديدة غير ملزمة بالقواعد الحالية.
قد يكون أحد هذه الاحتمالات هو إنشاء تصميمات كمبيوتر جديدة تحاكي الدماغ البشري ، وهي أعجوبة من كفاءة الحوسبة منخفضة الطاقة. استخدمت أبحاث الذكاء الاصطناعي في مجال يُعرف باسم الحوسبة العصبية سابقًا تصنيع السيليكون التقليدي.
قال إيلي تراك ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في Hypres ، وهي شركة فائقة التوصيل: “هناك إمكانات حقيقية في خلق ما يعادل الدماغ البشري باستخدام تقنية التوصيل الفائق”. وقال إنه بالمقارنة مع تكنولوجيا الكمبيوتر الكمومي ، والتي لا تزال في مراحلها التجريبية المبكرة ، “هذا شيء يمكن القيام به الآن ، لكن لسوء الحظ لم تلاحظ وكالات التمويل”.
ربما لم يحن وقت الحوسبة فائقة التوصيل بعد ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه في كل مرة يبدو فيها أن عالم CMOS يواجه عقبة أخيرة ، فإن الهندسة الذكية قد تغلبت عليها.
في عام 2019 ، أعلن فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة ماكس شولاكر أنه قام ببناء واحدة المعالجات الدقيقة من الأنابيب النانوية الكربونية التي وعدت بعشرة أضعاف كفاءة الطاقة لرقائق السيليكون الحالية. دكتور. تعمل Shulaker مع Analog Devices ، وهي شركة لتصنيع أشباه الموصلات في ويلمنجتون ، ماساتشوستس ، لتسويق نسخة هجينة من التكنولوجيا.
قال: “أكثر وأكثر ، أعتقد أنه لا يمكنك التغلب على السيليكون”. “إنه هدف متحرك وهو جيد حقًا في ما يفعله.”
ولكن مع اقتراب السيليكون من الحدود الذرية ، تبدو الأساليب البديلة واعدة مرة أخرى. قال مارك هورويتز ، عالم الكمبيوتر بجامعة ستانفورد الذي ساعد في إنشاء العديد من شركات وادي السيليكون ، إنه لم يكن مستعدًا لفصل د. شغف ساذرلاند بالإلكترونيات فائقة التوصيل.
قال: “الأشخاص الذين غيروا مجرى التاريخ دائمًا ما يكونون مجانين بعض الشيء ، كما تعلمون ، لكنهم أحيانًا مجانين حقًا”.