Qu'est-il arrivé à l'informatique ADN ?

Lorsque le premier transistor a été créé, en 1947, peu de gens auraient pu imaginer l'impact éventuel de cet appareil, le commutateur qui se trouve au cœur des puces logiques.

Nous devons remercier le silicium pour la grande prise de contrôle de l'informatique. Ajoutez une petite pincée d'impuretés à l'élément et le silicium forme un matériau presque idéal pour les transistors dans les puces informatiques.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2021

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Pendant plus de cinq décennies, les ingénieurs n'ont cessé de réduire les transistors à base de silicium, créant ainsi des ordinateurs de plus en plus petits, plus rapides et plus économes en énergie. Mais la longue série de victoires technologiques - et la miniaturisation qui l'a permis - ne peut pas durer éternellement. Il est nécessaire que la technologie batte le silicium, car nous atteignons d'énormes limites, déclare Nicholas Malaya, chercheur en informatique chez AMD en Californie.

Quelle pourrait être cette technologie successeur ? Les approches informatiques alternatives proposées au cours des 50 dernières années ne manquent pas. Voici cinq des plus mémorables. Tous ont eu beaucoup de battage médiatique, seulement pour être battus par le silicium. Mais peut-être y a-t-il encore de l'espoir pour eux.

Spintronique

Les puces informatiques sont construites autour de stratégies pour contrôler le flux d'électrons, plus précisément leur charge. En plus de la charge, cependant, les électrons ont également un moment cinétique, ou spin, qui peut être manipulé avec des champs magnétiques. La spintronique est apparue dans les années 1980, avec l'idée que spin peut être utilisé pour représenter des bits : une direction pourrait représenter un et l'autre 0 .

En théorie, les transistors spintroniques peuvent être rendus petits, permettant des puces densément emballées. Mais dans la pratique, il a été difficile de trouver les bonnes substances pour les construire. Les chercheurs disent que beaucoup de science fondamentale des matériaux doit encore être élaborée.

Néanmoins, les technologies spintroniques ont été commercialisées dans quelques domaines très spécifiques, explique Gregory Fuchs, physicien appliqué à l'Université Cornell à Ithaca, New York. Jusqu'à présent, le plus grand succès de la spintronique a été la mémoire non volatile, celle qui empêche la perte de données en cas de panne de courant. La STT-RAM (pour mémoire à accès aléatoire à couple de transfert de spin) est en production depuis 2012 et se trouve dans les installations de stockage en nuage.

Memristors

L'électronique classique est basée sur trois composants : un condensateur, une résistance et une inductance. En 1971, l'ingénieur électricien Leon Chua a théorisé un quatrième composant qu'il a appelé le memristor, pour mémoire résistance. En 2008, des chercheurs de Hewlett-Packard ont développé le premier memristor pratique, utilisant du dioxyde de titane.

C'était excitant parce que les memristors peuvent en théorie être utilisés à la fois pour la mémoire et la logique. Les appareils mémorisent la dernière tension appliquée, ils conservent donc les informations même s'ils sont éteints. Ils diffèrent également des résistances ordinaires en ce que leur résistance peut changer en fonction de la quantité de tension appliquée. Une telle modulation peut être utilisée pour effectuer des opérations logiques. Si elles sont effectuées dans la mémoire d'un ordinateur, ces opérations peuvent réduire la quantité de données devant être transférées entre la mémoire et le processeur.

Les memristors ont fait leurs débuts commerciaux en tant que stockage non volatil, appelé RRAM ou ReRAM, pour la mémoire résistive à accès aléatoire. Mais le domaine continue d'avancer. En 2019, des chercheurs ont mis au point une puce à 5 832 mémoires qui peut être utilisée pour l'intelligence artificielle.

Nanotubes de carbone

Le carbone n'est pas un semi-conducteur idéal. Mais dans de bonnes conditions, il peut être amené à former des nanotubes qui sont excellents. Les nanotubes de carbone ont été transformés pour la première fois en transistors au début des années 2000, et des études ont montré qu'ils pouvaient être 10 fois moins énergivore que le silicium.

En fait, parmi les cinq transistors alternatifs discutés ici, les nanotubes de carbone sont peut-être les plus avancés. Dans 2013 , des chercheurs de Stanford ont construit le premier ordinateur fonctionnel au monde entièrement alimenté par des transistors à nanotubes de carbone , quoique simple.

Mais les nanotubes de carbone ont tendance à rouler en petites boules et à s'agglutiner comme des spaghettis. De plus, la plupart des méthodes de synthèse conventionnelles fabriquent des nanotubes semi-conducteurs et métalliques dans un mélange désordonné. Les scientifiques et ingénieurs des matériaux ont recherché des moyens de corriger et de contourner ces imperfections. En 2019, les chercheurs du MIT ont utilisé des techniques améliorées pour fabriquer un microprocesseur 16 bits avec plus de 14 000 transistors à nanotubes de carbone . C'est encore loin d'une puce de silicium avec des millions ou des milliards de transistors, mais c'est quand même un progrès.

Calcul de l'ADN

En 1994, Leonard Adleman, un informaticien de l'Université de Californie du Sud à Los Angeles, a fabriqué un ordinateur à partir d'une soupe d'ADN. Il a montré que l'ADN pouvait s'auto-assembler dans un tube à essai pour explorer toutes les voies possibles dans le fameux problème du voyageur de commerce. Les experts ont prédit que le calcul de l'ADN battre technologie à base de silicium, en particulier avec le calcul massivement parallèle. Plus tard, les chercheurs ont conclu que le calcul de l'ADN n'était pas assez rapide pour faire cela.

Mais l'ADN présente certains avantages. Des chercheurs ont montré qu'il est possible d'encoder poésie , GIF et films numériques dans les molécules. La densité de potentiel est stupéfiante. Toutes les données numériques du monde pourraient être stockées dans une tasse de café pleine d'ADN, ingénieurs biologiques au MIT estimé dans un article publié plus tôt cette année. Le hic, c'est le coût : un co-auteur a déclaré plus tard que la synthèse d'ADN devrait être de six ordres de grandeur moins chère pour concurrencer la bande magnétique.

À moins que les chercheurs ne parviennent à réduire le coût du stockage de l'ADN, la vie restera coincée dans les cellules.

Électronique moléculaire

C'est une vision convaincante : les transistors deviennent de plus en plus petits, alors pourquoi ne pas aller de l'avant et faire à partir de molécules individuelles ? Des commutateurs à l'échelle du nanomètre constitueraient une puce extrêmement rentable et densément emballée. Les puces pourraient même être capables de s'assembler grâce à interactions entre molécules .

Des groupes chez Hewlett-Packard et ailleurs au début des années 2000 se sont précipités pour faire fonctionner ensemble la chimie et l'électronique.

Mais après des décennies de travail, le rêve de l'électronique moléculaire n'est toujours que cela. Les chercheurs ont découvert que les molécules individuelles peuvent être capricieuses, ne fonctionnant comme des transistors que dans des conditions très étroites. Personne n'a montré comment des dispositifs à molécule unique peuvent être intégrés de manière fiable dans la microélectronique massivement parallèle, déclare Richard McCreery, chimiste à l'Université de l'Alberta.

Le rêve de l'électronique moléculaire n'est pas complètement mort, mais il est aujourd'hui largement relégué aux labos de chimie et de physique, où les chercheurs continuent lutter pour fabriquer des molécules inconstantes se comporter.

Que ce passe t-il après?

Le silicium règne toujours en maître, mais le temps presse pour le semi-conducteur préféré de tous. Le dernier Feuille de route internationale pour les dispositifs et les systèmes (IRDS) suggère que les transistors devraient cesser de rétrécir après 2028 et que les circuits intégrés devront être empilés en trois dimensions pour continuer à rendre possible des puces plus rapides et plus efficaces.

C'est peut-être le moment où d'autres appareils informatiques trouvent une ouverture, mais uniquement en conjonction avec la technologie du silicium. Les chercheurs explorent des approches hybrides pour fabriquer des puces. En 2017, des chercheurs qui avaient fait des progrès avec les transistors à nanotubes de carbone les ont intégrés à des couches de memristors non volatils et de dispositifs en silicium - un prototype pour une approche visant à améliorer la vitesse et la consommation d'énergie en informatique en s'éloignant de l'architecture traditionnelle.

Les puces classiques à base de silicium feront encore des progrès, déclare Malaya d'AMD. Mais, ajoute-t-il, je pense que l'avenir sera hétérogène, dans lequel toutes les technologies seront utilisées probablement de manière complémentaire à l'informatique traditionnelle.

En d'autres termes, l'avenir sera toujours au silicium. Mais ce sera aussi d'autres choses.

Lakshmi Chandrasekaran est un écrivain scientifique indépendant basé à Chicago .

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