رائد في صناعة التكنولوجيا يرى طريقة للولايات المتحدة لقيادة الرقائق المتقدمة

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 يعتقد الدكتور ساذرلاند ، البالغ من العمر 84 عامًا ، أن الولايات المتحدة تفشل في وقت حاسم في التفكير في تقنيات بديلة لصنع الرقائق من شأنها أن تسمح 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 أمام الآلات الأسرع ، كما يدعي.

كتب هو وزميل له مؤخرًا في مقال تم تداوله بين التقنيين والمسؤولين الحكوميين: “إن الدولة التي تغتنم أفضل فرصة للدائرة الرقمية فائقة التوصيل ستتمتع بالتفوق الحاسوبي لعقود قادمة”.

تعتبر رؤى الدكتور ساذرلاند مهمة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه كان له دور فعال منذ عقود في المساعدة في إنشاء نهج اليوم المهيمن لصنع رقائق الكمبيوتر.

في السبعينيات ، قدم الدكتور ساذرلاند ، الذي كان رئيسًا لقسم علوم الكمبيوتر في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وشقيقه بيرت ساذرلاند ، الذي كان مديرًا للأبحاث في قسم من شركة زيروكس يُدعى مركز بالو ألتو للأبحاث ، عالم الكمبيوتر لين. كونواي للفيزيائي كارفر ميد.

لقد ابتكروا تصميمًا يعتمد على نوع من الترانزستور ، المعروف 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 الدكتور ساذرلاند بأن التكنولوجيا البديلة التي سبقت CMOS ، والتي كان لها العديد من البدايات الخاطئة ، يجب أن تعطى نظرة أخرى. 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. في مرحلة ما ، حتى أنها اتخذت منعطفًا دوليًا غريبًا قبل أن تعود إلى الولايات المتحدة.

في عام 1987 ، قرأ ميخائيل جورباتشوف ، آخر زعيم سوفياتي ، مقالاً في صحيفة برافدا الروسية يصف التقدم المذهل في الحوسبة ذات درجات الحرارة المنخفضة التي حققتها شركة فوجيتسو ، عملاق الإلكترونيات الدقيقة الياباني.

كان السيد جورباتشوف مفتونا. ألم تكن هذه منطقة ، كما أراد أن يعرف ، أين يمكن أن يتفوق 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 ، أدرك الدكتور ليشاريف أن مراسل برافدا قد أخطأ في قراءة البيان الصحفي وادعى أن شريحة ذاكرة فوجيتسو فائقة التوصيل كانت أسرع بخمس مرات مما كانت عليه.

شرح د. ليخاريف الخطأ ، لكنه أشار إلى أن المجال لا يزال واعدًا.

أدى ذلك إلى سلسلة من الأحداث التي تم من خلالها منح مختبر الدكتور ليشاريف الصغير عدة ملايين من الدولارات لدعم البحث ، مما أتاح له تكوين فريق صغير من الباحثين ، وفي النهاية ، بعد سقوط جدار برلين ، انتقل إلى الولايات المتحدة. تولى الدكتور ليشاريف منصبًا في الفيزياء في جامعة ستوني بروك في نيويورك وساعد في إنشاء شركة Hypres ، وهي شركة موصلات رقمية فائقة لا تزال موجودة.

ربما انتهت القصة هناك. ولكن يبدو أن التكنولوجيا المراوغة قد تكتسب زخماً مرة أخرى لأن تكاليف صناعة الرقائق الحديثة أصبحت هائلة. مصنع أشباه الموصلات الجديد يكلف ما بين 10 إلى 20 مليار دولار ويستغرق ما يصل إلى خمس سنوات ليكتمل.

يجادل الدكتور ساذرلاند بأنه بدلاً من دفع التكنولوجيا الأكثر تكلفة التي تؤدي إلى تناقص الكفاءة ، يجب على الولايات المتحدة التفكير في تدريب جيل من المهندسين الشباب القادرين على التفكير خارج الصندوق.

قد تحل أنظمة الحوسبة القائمة على الموصلات الفائقة ، حيث تنخفض المقاومة الكهربائية في المفاتيح والأسلاك إلى الصفر ، تحدي التبريد الذي يزعج بشكل متزايد مراكز البيانات في العالم.

صناعة شرائح CMOS تهيمن عليها الشركات التايوانية والكورية الجنوبية. 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.

انضم إلى الدكتور ساذرلاند آخرون في الصناعة ممن يعتقدون أن تصنيع CMOS يصل إلى حدود أساسية من شأنها أن تجعل تكلفة التقدم لا تطاق.

قال جوناثان كومي ، متخصص في متطلبات طاقة الحوسبة واسعة النطاق.

نظرًا لتقليص حجم الترانزستورات إلى حجم مئات أو آلاف الذرات فقط ، فقد تعرضت صناعة أشباه الموصلات بشكل متزايد لمجموعة متنوعة من التحديات التقنية.

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. وبالتالي ، يتم إغلاق أقسام كاملة من الرقائق الحديثة ويعمل بعض الترانزستورات فقط في أي وقت – مما يجعلها أقل كفاءة بكثير.

قال الدكتور ساذرلاند إن الولايات المتحدة يجب أن تدرس تقنيات بديلة لأسباب تتعلق بالأمن القومي. واقترح أن مزايا تقنية الحوسبة فائقة التوصيل قد تكون مفيدة في البداية في سوق شديدة التنافسية لمحطات القاعدة الخلوية ، وأجهزة الكمبيوتر المتخصصة داخل أبراج الهواتف المحمولة التي تعالج الإشارات اللاسلكية. وقال إن الصين أصبحت قوة مهيمنة في السوق لتقنية 5G الحالية ، لكن رقائق الجيل التالي من الجيل السادس ستستفيد من السرعة القصوى ومتطلبات الطاقة المنخفضة بشكل كبير للمعالجات فائقة التوصيل.

يتفق التنفيذيون الآخرون في الصناعة. قال جون إل هينيسي ، مهندس كهربائي 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 اكتساب الكفاءة مع التصميم الجديد ، وهو أمر غير مرجح لأجهزة الكمبيوتر ذات الأغراض العامة ، أو عن طريق إنشاء تقنية جديدة غير ملزمة بالقواعد الحالية.

قد تكون إحدى هذه الفرص هي تصميم تصميمات كمبيوتر جديدة تحاكي العقل 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 شركة Hypres فائقة التوصيل: “هناك حقًا إمكانية إنشاء ما يعادل الدماغ البشري باستخدام تقنية التوصيل الفائق”. وبالمقارنة مع تقنية الحوسبة الكمومية ، التي لا تزال في مراحلها التجريبية المبكرة ، “هذا شيء يمكن القيام به الآن ، ولكن للأسف لم تهتم وكالات التمويل به” ، على حد قوله.

ربما لم يحن وقت الحوسبة فائقة التوصيل بعد ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه في كل مرة يبدو فيها عالم CMOS على وشك أن يصطدم بعقبة أخيرة ، فإن الهندسة الذكية قد تغلبت عليها.

في عام 2019 ، أعلن فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة ماكس شوليكر أنه قد صنع معالجًا دقيقًا من الأنابيب النانوية الكربونية التي تعد بعشرة أضعاف كفاءة الطاقة لرقائق السيليكون الحالية. يعمل الدكتور شولاكر مع شركة Analog Devices ، وهي شركة لتصنيع أشباه الموصلات في ويلمنجتون ، ماساتشوستس ، لتسويق نسخة هجينة من التكنولوجيا.

قال: “أعتقد أنه لا يمكنك التغلب على السيليكون أكثر فأكثر”. “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 راغبًا في استبعاد شغف الدكتور ساذرلاند بالإلكترونيات فائقة التوصيل.

قال: “الأشخاص الذين غيروا مجرى التاريخ دائمًا ما يكونون مجانين بعض الشيء ، كما تعلمون ، لكن في بعض الأحيان يكونون مجانين على حق”.