L'informatique après le silicium

Il y a quatre ans, le professeur de chimie de l'UCLA R. Stanley Williams et le géant de l'informatique Hewlett-Packard (HP) ont fait des changements à mi-carrière en même temps. L'entreprise était devenue l'un des principaux fabricants mondiaux d'ordinateurs et de microprocesseurs, mais elle n'avait toujours pas de groupe de recherche fondamentale. Williams avait passé les quinze dernières années dans le monde universitaire et craignait de perdre le contact avec les réalités de l'entreprise (au début de sa carrière, il avait travaillé plusieurs années chez Bell Laboratories.) La solution : un laboratoire de recherche fondamentale chez HP dirigé par Williams.

En tant que chef du laboratoire, la principale préoccupation de Williams est l'avenir de l'informatique. La miniaturisation progressive des circuits intégrés à base de silicium a conduit à des machines plus petites, moins chères et plus puissantes. Les puces à la pointe de la technologie ont désormais des caractéristiques aussi petites que plusieurs centaines de nanomètres de diamètre (un nanomètre correspond à un milliardième de mètre). C'est petit. Mais selon les calculs de Williams, la capacité de continuer à réduire les appareils à base de silicium devrait s'arrêter quelque part vers 2010. De telles prédictions ne sont guère choquantes - d'autres experts de la Silicon Valley sont parvenus à des conclusions similaires. Ce qui est surprenant, c'est que Williams pense que lui et ses collaborateurs chez HP et UCLA ont trouvé une solution : un héritier viable du silicium.

Si Williams a raison, l'informatique reposera un jour sur des composants à l'échelle nanométrique à faible coût et facilement assemblés à l'aide d'une chimie simple. Au lieu de la technique actuelle consistant à graver avec précision des caractéristiques sur des puces de silicium pour créer des motifs complexes et presque parfaits, les techniciens plongeront des substrats dans des cuves de produits chimiques. Et si le mélange est bon, les fils et les interrupteurs s'assembleront chimiquement à partir de ces matériaux. Cela rendrait possibles des ordinateurs minuscules, peu coûteux et extrêmement puissants. C'est une vision fascinante. Pourtant, après tout, la Silicon Valley (et la presse populaire) regorgent de visions fascinantes de l'avenir de l'informatique. Ce qui rend les concoctions que Williams prépare chez HP plus convaincantes, c'est qu'elles ne sont pas que des idées. L'année dernière, Williams et ses collègues ont publié un rapport dans Science décrivant une architecture informatique qui pourrait rendre réalisables des circuits assemblés chimiquement ; et en juillet dernier, le groupe a publié un deuxième article scientifique, décrivant cette fois la synthèse d'un premier composant potentiel de leurs commutateurs électroniques moléculaires informatiques. Les résultats ont fait les gros titres des journaux du pays.

Dans les semaines qui ont précédé la frénésie médiatique, ENFANTS Le rédacteur en chef David Rotman a discuté avec Williams de l'informatique après le silicium, de la recherche fondamentale dans les entreprises de haute technologie et de sa propre transition personnelle de l'université au secteur privé.

TR : Vous êtes arrivé chez HP en 1995 pour créer un laboratoire de recherche fondamentale après avoir été professeur à l'UCLA. Quelle était votre mission ?
WILLIAMS : Hewlett-Packard n'a jamais vraiment eu de groupe de recherche fondamentale. Dans le passé, il y avait eu des discussions au sein de HP au cours desquelles les gens disaient que nous devrions vraiment faire plus de recherche fondamentale, que nous devrions vraiment, d'une manière ou d'une autre, ramener nos connaissances au puits, ce genre de discussions philosophiques. Et il y avait toujours quelques personnes qui faisaient un travail fondamental. Mais HP s'est rendu compte qu'il devait créer un groupe distinct qui serait plus isolé des exigences quotidiennes de la recherche de produits pour avoir un effort soutenu. J'ai été contacté et on m'a demandé si je serais intéressé à essayer d'amorcer un groupe de recherche fondamentale. Je croyais fermement, et en fait je crois encore plus maintenant, que la recherche fondamentale a une réelle valeur pour une entreprise.

TR : Comment démontrez-vous cette valeur ?
WILLIAMS : Il y a plusieurs façons. L'une consiste à fournir une vision de ce à quoi l'électronique et l'informatique vont ressembler dans un délai de 10 ans. Nous agissons également comme un radar technologique. Nous entendons souvent parler de développements avant les gens dans les tranchées, et nous pouvons les alerter qu'il y a des opportunités intéressantes ou peut-être des menaces qui se présentent. De plus, nous travaillons sur des questions tellement fondamentales que si nous réussissons, les bénéfices pour l'entreprise seront énormes. Et ils le savent. Chaque portefeuille d'investissement intelligent a quelques longs plans.

TR : Les choses se sont-elles déroulées comme vous l'espériez depuis le démarrage du labo ?
WILLIAMS : Quand je suis arrivé chez HP, j'avais des idées très nébuleuses sur l'électronique du futur. Nous avons maintenant une feuille de route. Cela a été incroyable. Il y a deux ou trois choses qui n'ont pas fonctionné comme je m'y attendais. J'avais espéré avoir plusieurs projets de recherche communs avec les laboratoires les plus appliqués. Même si les chercheurs eux-mêmes sont intéressés à travailler avec nous et que leurs managers les encouragent à le faire, lorsque les gens ont des délais à respecter, ces collaborations ne peuvent pas être maintenues. Un autre problème est que nous avons été en compétition pour le financement avec de nombreux projets économiquement cruciaux et que la recherche fondamentale n'a donc pas progressé aussi rapidement que prévu lorsque j'ai été embauché. Nous commençons juste à grandir un peu.

TR : Dans quelle mesure l'industrie de la haute technologie fait-elle de la recherche fondamentale? Réalise-t-il le juste équilibre entre fournir la science fondamentale tout en veillant au résultat ?
WILLIAMS : En général, non. Dans l'environnement extrêmement concurrentiel d'aujourd'hui, toute entreprise de haute technologie peut faire faillite en trois ans, voire beaucoup moins avec l'introduction du temps Internet. Il est très difficile de prêter attention au long terme, qui pour le conseil d'administration de certaines entreprises est le trimestre d'après. Même dans les laboratoires de recherche des entreprises, la pression pour mieux s'aligner sur les divisions de produits, raccourcir les cycles de recherche et développement et lutter contre les incendies au quotidien a réduit l'opinion de la plupart des gestionnaires et des chercheurs à quelques années seulement.

TR : Qu'est-ce que cela signifie pour l'industrie informatique?
WILLIAMS : Je pense qu'avoir une forte composante recherche fondamentale dans un laboratoire d'entreprise devient un avantage stratégique. C'est particulièrement le cas pour les entreprises de haute technologie qui dépendent des progrès de l'électronique. Il y aura une énorme récompense économique pour les entreprises et les pays qui réussissent à exploiter des structures à l'échelle nanométrique et des phénomènes quantiques pour des applications de calcul, de communication et de mesure. Tout cela est encore au niveau de la recherche fondamentale, mais ce sera le fondement de la technologie bien avant que je ne sois prêt à prendre ma retraite. Les entreprises qui ne suivent pas les développements ne pourront pas rattraper leur retard plus tard. Le Fortune 100 sera bien différent dans dix ans de ce qu'il est aujourd'hui, et un différenciateur important sera les investissements dans la recherche fondamentale.

TR : Parlons plus précisément de l'avenir de l'informatique. Vous faites souvent référence aux limites de l'informatique basée sur le silicium. Quelles sont ces limites ?
WILLIAMS : L'industrie des semi-conducteurs sera confrontée à deux problèmes très différents au cours de la prochaine décennie. L'un est économique. Le coût de construction d'usines pour fabriquer chaque nouvelle génération de puces de silicium a été multiplié par un facteur d'environ deux tous les trois ans. Une usine de fabrication de 10 milliards de dollars, ou fab, n'est pas loin. D'ici 2010, une usine coûtera probablement 30 milliards de dollars. Le deuxième problème, qui est l'une des principales raisons du premier, est que les transistors à base de silicium commencent à rencontrer des limitations physiques et matérielles fondamentales à mesure qu'ils deviennent de plus en plus petits. Par exemple, le nombre d'électrons utilisés pour allumer et éteindre un transistor à effet de champ - le pilier des ordinateurs d'aujourd'hui - se compte par centaines, et comme cela diminue beaucoup, il y aura de graves problèmes avec les fluctuations statistiques qui pourraient agir de manière aléatoire. allumez-le et éteignez-le. Il y a aussi les problèmes liés à la physique de la lithographie traditionnelle [l'utilisation de la lumière pour graver des motifs sur des puces de silicium], comme le positionnement précis des plaquettes avec une précision de quelques nanomètres. Chacun de ces problèmes a une solution technologique qui peut éliminer une ou deux générations supplémentaires de rétrécissement, mais le fait que tant de problèmes doivent maintenant être résolus simultanément est presque écrasant.

TR : La technologie à base de silicium heurtera-t-elle soudainement un mur ?
WILLIAMS : Du point de vue de la physique, il n'y a aucune raison pour que l'industrie ne puisse pas s'attaquer à des appareils aussi petits que 50 nanomètres. Mais le problème est que s'y rendre devient de plus en plus difficile et de plus en plus coûteux. Plutôt que d'essayer de jouer le jeu, de nombreuses entreprises prendront la décision économique de ne pas fabriquer des puces à la pointe de la technologie. Je prêche cela depuis un certain temps, et même je suis surpris de la vitesse à laquelle cela se produit. National Semiconductor - voici une entreprise avec des semi-conducteurs en son nom - ne va plus fabriquer de microprocesseurs de nouvelle génération. En fait, Hewlett-Packard a annoncé récemment que ses processeurs avancés seraient construits dans une fonderie (les fonderies sont des usines qui produisent des appareils sur une base contractuelle). Éventuellement, il y aura une ou deux fabs dans le monde qui fabriqueront des appareils à la pointe de la technologie, et ces fabs seront probablement financées en grande partie par les gouvernements. Ce qui signifie que cela n'arrivera probablement pas aux États-Unis.

TR : Et à ce rythme, combien de temps cela prendra-t-il ?
WILLIAMS : Je suppose que ce sera avant 2012. C'est un gros jeu de poulet. Qui est prêt à dépenser de l'argent pour une nouvelle usine ?

TR : Comment l'augmentation rapide des coûts de production et l'effet subséquent de la sortie des entreprises de fabrication affecteront-ils la microélectronique ?
WILLIAMS : Les prix des articles que nous achetons aujourd'hui n'augmenteront pas de manière substantielle, mais nous ne verrons pas les améliorations spectaculaires des performances et les baisses de coût des appareils à base de silicium que nous avons vues dans le passé. Et le fait que tant de grandes entreprises se retirent de la recherche sur les procédés du silicium nuira certainement à l'innovation en microélectronique pendant un certain temps. Cependant, cela va également ouvrir la porte à de nombreux petits entrepreneurs et inventeurs qui cherchent à créer des appareils électroniques et des processus de fabrication entièrement nouveaux. Je pense que la prochaine décennie fournira l'une des plus grandes explosions de créativité que nous ayons vues depuis l'invention du transistor.

TR : Vous avez prédit qu'au rythme actuel de rétrécissement, les dispositifs à base de silicium commenceront à atteindre des limites fondamentales vers 2010. En termes de recherche et de développement de nouvelles technologies pour remplacer le silicium, ce n'est vraiment pas si loin dans le futur, n'est-ce pas ?
WILLIAMS : C'est terriblement proche. Il n'y a pas encore d'héritier définitif de la technologie silicium. Pour avoir une nouvelle technologie prête d'ici là, nous devons travailler dur dès maintenant. Chez HP, nous avons ce que nous pensons être un assez bon candidat, mais je pense que la technologie et l'économie future de ce pays seraient bien mieux s'il y avait plus d'un héritier, s'il y avait plusieurs groupes avec des idées uniques en compétition. Il y a quelques bonnes idées, mais pas assez.

TR : Je m'étonne qu'il n'y en ait pas plus, vu l'enjeu.
WILLIAMS : Une grande partie de la recherche se situe au niveau des appareils discrets. Mais il y a très peu de travaux à l'échelle architecturale en cours. Au lieu de regarder des unités de base discrètes, nous examinons la fonction d'un circuit entier.

TR : Plutôt que d'essayer de fabriquer des choses à l'échelle nanométrique, puis de vous soucier de la façon dont vous pourriez les utiliser, vous avez déjà en tête…
WILLIAMS : Une structure globale potentielle. La plupart des personnes qui travaillent dans ce domaine essaient essentiellement de comprendre comment faire un analogue moléculaire d'un appareil électronique existant ; alors ils espèrent qu'ils trouveront comment connecter toutes ces choses pour faire un circuit ou un système. Les gens travaillent essentiellement dur pour fabriquer une seule brique et espèrent qu'une fois qu'ils l'auront faite, ils pourront trouver comment en construire quelque chose. D'autre part, nous avons le dessin architectural de l'ensemble du bâtiment, et nous recherchons les meilleurs matériaux pour construire ce bâtiment.

TR : Votre ambition est d'utiliser ce plan pour construire un tout nouveau type d'ordinateur, fabriqué en utilisant la chimie plutôt que la lithographie, n'est-ce pas ?
WILLIAMS : Notre objectif est de fabriquer des circuits dans de simples hottes chimiques en utilisant des béchers et des procédures chimiques normales. Au lieu de fabriquer des appareils incroyablement complexes et parfaits qui nécessitent des usines très coûteuses, nous fabriquerions des appareils qui sont en fait très simples et sujets aux erreurs de fabrication. Ils seraient extrêmement peu coûteux à fabriquer, et la plus grande partie de la valeur économique viendrait de leur programmation.

TR : Il semble légèrement contre-intuitif que la façon de rendre la microélectronique encore plus petite et plus puissante soit de leur permettre d'être défectueuse.
WILLIAMS : Il y a un an, nous avons publié un article dans Science dans lequel nous discutons de ce qui sera nécessaire pour fabriquer un ordinateur à l'aide d'un assemblage chimique. La réponse était qu'il fallait une architecture informatique qui permettrait aux systèmes d'avoir beaucoup de défauts de fabrication, beaucoup d'erreurs. Nous appelons cette architecture tolérante aux défauts. Nous avons discuté d'un exemple d'ordinateur qui a été construit ici chez Hewlett-Packard appelé Teramac. C'est notre archétype informatique ; nous pensons qu'à l'avenir, les objets basés sur des objets à l'échelle moléculaire ou nanométrique devront avoir dans leurs principes d'organisation ces conceptions tolérantes aux défauts, car il sera impossible de fabriquer parfaitement de si petites choses.

TR : Parlez-nous un peu des origines de votre intérêt pour Teramac.
WILLIAMS : James Heath, professeur de chimie à l'UCLA, et moi avons passé au moins un an et demi à l'étudier avant d'être prêts à construire quoi que ce soit. Nous avions une série de discussions avec un architecte informatique chez HP, Philip Kuekes, sur la tolérance aux défauts, et Phil a commencé à nous parler de cet ordinateur qu'il avait aidé à construire. Ils avaient décidé de le construire à partir de composants en silicium imparfaits ou défectueux, car ceux-ci seraient beaucoup moins chers et traiteraient simplement les problèmes qui pourraient survenir en utilisant un logiciel intelligent.

TR : En d'autres termes, vous payez pour la perfection d'un matériau.
WILLIAMS : Absolument. La perfection coûte cher. Et à mesure que vous devenez de plus en plus complexe, le coût de la perfection devient de plus en plus élevé. C'est la principale raison pour laquelle le coût des usines augmente de façon exponentielle. Ce que nous disons, c'est que si nous pouvons faire des choses qui sont imparfaites mais fonctionnent toujours parfaitement, nous pouvons les construire à beaucoup moins cher.

TR : Comment faire fonctionner parfaitement quelque chose qui est imparfait ?
WILLIAMS : Teramac a une architecture qui repose sur des structures très régulières appelées crossbars, ce qui vous permet de connecter n'importe quelle entrée avec n'importe quelle sortie. Si un commutateur ou un fil particulier du système est défectueux, vous pouvez le contourner. Vous pouvez éviter les problèmes. Il s'est avéré que Teramac avait un énorme bonus. Non seulement il est capable de compenser les erreurs de fabrication, mais Teramac pouvait également être programmé très rapidement et il exécutait ces programmes à une vitesse fulgurante car il disposait de cette énorme bande passante de communication.

TR : Tel qu'il est construit, Teramac utilise des puces en silicium, bien que défectueuses. Mais votre intérêt est d'utiliser cette architecture pour construire un ordinateur en utilisant des processus chimiques. Pourquoi est-ce si prometteur pour cette application ?
WILLIAMS : Teramac a été conçu comme un outil pour démontrer l'utilité de la tolérance aux défauts pour la construction de systèmes complexes à moindre coût. Même s'il a été un succès, un Teramac de bureau n'est pas encore économiquement viable. Il se peut que les architectures de type Teramac contribuent à étendre les circuits intégrés au silicium d'une génération environ en rendant les usines moins chères à construire, mais nous voyons l'énorme potentiel de cette architecture dans la fabrication chimique de circuits intégrés. L'assemblage des dispositifs et leur commande par des moyens chimiques sera un processus intrinsèquement sujet aux erreurs. Cependant, nous avons maintenant la preuve qu'un système très défectueux peut fonctionner parfaitement.

TR : Cette architecture réelle pourrait fournir un moyen réel de faire de l'informatique ?
WILLIAMS : C'est vrai. Le matériel a été construit, testé et programmé. Les concepts sont très bien compris et très robustes. Maintenant, la deuxième étape de tout cela est de voir si nous pouvons utiliser les idées issues de la recherche fondamentale en nanotechnologie - les idées d'auto-assemblage, la construction de petites unités régulières à l'aide de procédures chimiques - pour créer réellement quelque chose qui serait utile. Notre article scientifique de juillet est, selon nous, la première étape majeure dans cette direction en démontrant que la commutation électronique moléculaire est possible.

TR : Et après?
WILLIAMS : D'ici deux ans, nous espérons assembler chimiquement une mémoire 16 bits opérationnelle qui tient dans un carré de 100 nanomètres de côté. Aujourd'hui, un bit dans une mémoire au silicium est beaucoup plus grand qu'un micromètre carré. Nous recherchons donc une mise à l'échelle d'au moins trois ordres de grandeur en densité de mémoire. Notre objectif à plus long terme, franchement, est de construire un ordinateur entier en utilisant uniquement des processus chimiques. Cet objectif particulier est dans 10 ans si tout se passe bien, et même alors, nous ferons des circuits assez simples. Mais ça doit commencer quelque part.

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