Efter kiselchipset

Någon gång i framtiden kommer det att finnas en kraftfull dator som inte väger mer än en normal bil. Det förutspådde en expertpanel i den amerikanska tidningen Popular Mechanics år 1949. Med dagens mått mätt är den förutsägelsen förstås skrattretande.

En modern handdator är tusentals gånger effektivare än den dator som tidningens expertpanel drömde om. Att experternas visioner var så blygsamma beror på att de utgick från att man skulle fortsätta att bygga datorer av vakuumrör, föregångaren till dagens halvledartransistorer av kisel.

Dagens mest populära tumregel för att skåda in i datorernas framtid är den så kallade Moores lag (läs mer i länkarna här till höger). Den säger att antalet transistorer som ryms på ett kiselchips fördubblas var 18e-24e månad.

Med ganska bra noggrannhet har sambandet gällt ända sedan Gordon Moore vid företaget Intel formulerade det i början av 1960-talet.

Men utvecklingen kan inte fortsätta hur länge som helst. Det påpekas ofta av forskare som letar efter alternativ till dagens kiselchips.Bland kandidaterna till nya grundelement för hantering och lagring av information finns syntetiskt skräddarsydda organiska molekyler av allehanda slag. DNA-molekyler brukar också nämnas i detta sammanhang, liksom olika energinivåer hos elektroner och andra elementarpartiklar.

Olyckskorpar har fel

Den traditionella datorindustrin har länge varit relativt kallsinnig inför alternativen. Det beror inte bara på att den har gjort enorma investeringar i kiseltekniken. Under mer än fyra decennier har branschen hört olika experter varna för att utvecklingen av kiselkretsar nu närmar sig vägs ände.

Hittills har olyckskorparna alltid haft fel. Och ungefär lika länge har nya idéer till alternativa datorer kommit och gått. Bland misslyckandena finns integrerade kretsar av galliumarsenid och logik baserad på ljus i stället för elektrisk ström. Datorer av galliumarsenid föll på svårigheten att bygga elektriskt isolerande oxidskikt i materialet. Behovet av en orimligt hög ljuseffekt i kretsarna sänkte den digitala ljusdatorn.

– Kisel är svårslaget. Bland de kända alternativen tror jag faktiskt inte att det finns något bättre, säger Christer Svensson som är professor i elektroniska komponenter vid Linköpings universitet.

Han tror att kiseltekniken kan uppfylla förväntningarna från Moores lag i drygt 20 år till. Det skulle i så fall innebära att det jämfört med i dag blir möjligt att tränga ihop närmare 10 000 gånger fler komponenter på ett kiselchips. Under samma period skulle datorerna dessutom kunna bli mellan 20 och 80 gånger snabbare än dagens, enligt Christer Svensson.

Molekyler är billiga

De som tvivlar på en sådan utveckling påpekar att kiselteknikens kostnader skenar. Historiskt har priset för att bygga en ny fabrik som tillverkar datorchips dubblerats ungefär vart tredje år. Sambandet kallas ibland för Moores andra lag.

Om den utvecklingen skulle hålla i sig, kommer en ny chipsfabrik om tio år att kosta mellan 300 och 500 miljarder kronor. Det motsvarar ungefär hälften av årets svenska statsbudget. Detta är en av orsakerna till att flera av de traditionella datorföretagen trots allt driver forskningsprojekt om alternativen till kisel. Inom företagen anses projekten också stärka den vetenskapliga kulturen – och dessutom kunna leda till god publicitet.

Företaget IBM satsar t ex på forskning om så kallade nanorör, extremt tunna rör av kolatomer sammanfogade i en struktur som påminner om en bit hoprullat hönsnät. I somras rapporterade företagets forskare att de har lyckats bygga en mycket enkel logisk krets av två transistorer inbyggda i ett och samma nanorör. Men därifrån är vägen till en fungerande dator mycket lång.

Hoppet om att Moores andra lag ska ge alternativen en chans spirar även bland universitetsforskare. James Tour är professor i organisk kemi vid Rice University i Houston, USA. Han är också en av grundarna till det nystartade företaget Molecular Electronics.

– Den första produkten skulle jag tro att vi börjar sälja om ett par tre år, säger han.

Han vill inte säga vilken typ av produkt det kommer att bli, men avslöjar att han just nu håller på att bygga en prototyp till ett molekylärt minne. I fulländat skick tänker han sig att den ska vara ett böjligt och extremt billigt alternativ till ett primärminne av kisel, kanske något för att lagra musik på ett smidigt sätt.

Molekylär elektronik går ut på att använda specialgjorda molekyler till att hålla reda på datorns alla ettor och nollor. Det kan ge betydligt mindre kretsar än dagens teknik. Kemiskt syntetiserade molekyler är dessutom billiga att framställa – åtminstone jämfört med att etsa fram strukturer i samma storleksordning i kiselkristaller. Med hjälp av välkända kemiska metoder kan man steg för steg bygga upp felfria och identiskt lika molekyler i enorma upplagor.

Molekylsmörjans logik

James Tour har själv tillverkat långa rader av fantasifullt utformade molekyler för ändamålet. En av de enklaste varianterna påminner om en kort repstege som vrider sig i närvaro av ett elektriskt fält. Styrkan hos fältet avgör om den leder ström eller inte.

Om elektroniska komponenter av den här typen visar sig fungera i praktiken, återstår ett svårlöst problem: att koppla ihop dem. En krets av molekylära komponenter kräver förstås ett extremt finmaskigt nät av ledningar. Kiseldatorns komponenter ingår i ett välordnat mönster av elektriska ledare. Det hela liknar en stad där varje komponent finns på en viss adress. Men än så länge finns ingen teknik för att adressera enskilda molekyler. De är helt enkelt för små. Visserligen går det att fästa molekylerna på en kiselplatta som innehåller alla förbindelser som behövs. Men då är man tillbaka i kiseltekniken och dess omtalade begränsningar. Så här behövs radikala grepp.Ett intressant sätt att tackla problemet är att ge upp alla försök att ”stadsplanera” kretsar på förhand. James Tour och hans medarbetare undersöker i stället den molekylära oredans möjligheter. I en serie experiment blandar de några av sina specialmolekyler med ledande partiklar av olika slag, och sprider ut blandningen på en kiselplatta ansluten till 20 ledningar.

Resultatet blir som väntat kaotiskt, ett smörja av sammankopplade molekyler och partiklar huller om buller. Forskarna kallar detta för en nanocell. Deras resultat tyder på att man kan programmera cellen med spänningspulser genom ledningarna. Och därmed bör man kunna få smörjan att fungera som en enkel logisk krets.

– Vi bryr oss inte om var alla komponenter finns. Vi slänger bara in dem i ett system och låter dem sätta ihop sig som de vill. Därefter adresserar vi dem utifrån. Det påminner mycket om hjärnans sätt att fungera, säger James Tour.

Att han talar sig varm för molekylära kretsar är förstås inte så förvånande. Han är trots allt delägare i ett företag som satsar på att tjäna pengar på dem.

15-årsplan i fokus

Andra forskare menar att poängen med att studera informationshantering i alternativa material främst handlar om grundläggande vetenskap. Enligt den tanken är målet alltså nya insikter i områden som självorganiserande system och beräkningarnas fysik. Om nya rön sedan leder till bättre datorer, är det snarast en positiv bieffekt, enligt grundforskarna. Många av dem anser att medierna skruvar upp orimligt höga förväntningar på ny och revolutionerande datorteknik. Samtidigt är det inte ovanligt att forskarna själva lockar med möjligheter att bygga nya typer av datorer när de ansöker om pengar till sin forskning.

Tydligen är datorer intimt förknippade med förväntningar om en spännande framtid. Inom datorindustrin är framstegen så självklara att dess internationella branschorganisation regelbundet publicerar prognoser för de kommande 15 årens utmaningar och genombrott. Den senaste prognosen tyder inte på några trendbrott. Därmed kan mjukvaruindustrin fortsätta att skriva program för allt kraftfullare datorer. Och hårdvaruindustrin kan fortsätta att tillverka kretsar anpassade till alltmer krävande program. Tills fysiken säger stopp.

Elektrisk villervalla

Dagens modernaste datorer innehåller transistorer som mäter drygt 100 nanometer (en nanometer är en miljondels millimeter). I laboratorier har man lyckats tillverka kretsar med transistorer som mäter mindre än 30 nanometer. Enligt Christer Svensson uppstår riktigt allvarliga bekymmer om man försöker krympa ner transistorerna under ca 10 nanometer.

– Då får man problem med kortslutning som beror på att elektroner tunnlar genom transistorns isolerade oxidskikt, säger han. Det är ett kvantfysikaliskt fenomen som innebär att elektroner tar sig igenom barriärer som egentligen borde stoppa dem.

Dessutom krymper antalet elektroner som styr transistorn från dagens ca tusen till några enstaka eller bara en. Det innebär att några få elektroner på villovägar kan ändra transistorns tillstånd så att ett blir noll och noll blir ett. Mot den typen av problem räcker det inte med snillrik ingenjörskonst. Och problemen kommer sannolikt att vara lika besvärliga oavsett om komponenterna består av kisel eller av något annat. Det är måtten som sätter gränsen. Moores kurva verkar alltså vara dömd att plana ut.

Därmed inte sagt att utvecklingen av datorer kommer att stagnera. Hur datorer ser ut beror ju inte bara på teknikens begränsningar. Avgörande är förstås också vad vi kommer att vilja använda dem till. Genom sin historia har datorerna fått många nya roller. Gång på gång har datortekniken fogat sig efter sin samtids önskemål.

Anfäderna till våra dagars datorer var de matematikmaskiner som började byggas mot slutet av andra världskriget.

– De byggdes under ett spänt politiskt läge och användes bl a till att göra skjuttabeller för projektiler och till att knäcka koder, säger Anders Carlsson, doktorand i vetenskapshistoria vid Uppsala universitet. Han skriver en avhandling om svensk datorteknik.

Väderprognoser och kärnvapenberäkningar var andra uppgifter som datorer tidigt fick ta itu med. Under 1950- och 60-talen blev de även bokhållare åt den expanderande ekonomin. Och den ekonomiska tillväxten bidrog i sin tur till att datorer blev överkomliga även för vissa företag och för den civila statens myndigheter.1970-talet såg datorer utvecklas till hemmaprodukter. En marknad för datorspel uppstod. Med den kom nya skäl att efterfråga högpresterande processorer. En viktig händelse under senare år är att datorn har blivit ett kommunikationsverktyg, vid sidan om post, fax och telefon. Det kan få djupgående följder för hur datorer kommer att fungera i framtiden.

Datorn – en samtidsmaskin

I ett nätverk uppstår nya möjligheter att hushålla med datorkrafter. När allt kommer omkring, är många datorer för det mesta avstängda. Och när de är i gång arbetar deras processorer som regel långt under sin maximala kapacitet. Datorvisionärer har länge förutspått att framtidens datorer i högre grad kommer att använda nätet för att lägga ut betungande uppgifter på andra datorer som för tillfället har kapacitet över. I så fall skulle man som användare bara behöva en enkel terminal. Beräkningskapacitet, program och minnesplats köper man via nätet.

Det amerikanska SETI-institutet, som letar efter utomjordisk intelligens, har visat att principen fungerar i stor skala. Drygt tre miljoner datorer runt om i världen använder lediga stunder till att hjälpa till med att leta efter livstecken i signaler från radioteleskop. På så vis har institutet fått tillgång till vad man kallar världens största utspridda superdator.

Särbegåvningar på väg

Bortom detta kreativa sätt att använda dagens datorteknik effektivare finns idéer om radikalt annorlunda datorer, datorer som klarar problem som är helt omöjliga att lösa med dagens datorteknik. Hit hör både DNA-datorn och kvantdatorn. Ingen av dem kommer att finnas på butikshyllorna inom de närmsta åren, om ens någonsin. Det som gör dem intressanta är att de har vissa märkliga särbegåvningar.

DNA-molekyler kan knäcka matematiska problem som en vanlig dator inte rår på. Den saken stod klar efter att den amerikanska datorforskaren Leonard Adleman år 1994 lyckades använda DNA-molekyler till att lösa en variant av det s k handelsresandeproblemet. Den typen av problem handlar om att hitta den bästa vägen mellan ett antal städer på en karta. En vanlig dator baxnar om antalet städer blir för stort. Med DNA-molekyler kan man i princip genomföra beräkningen på några sekunder. De testar alla möjligheter i ett och samma moment.

Men det finns en stor hake. Det är ett hästjobb att formulera ett matematiskt problem i DNA-molekyler. Och när beräkningen väl är avklarad återstår ännu ett hästjobb med att avläsa svaret. Detta trots ny teknik som gör det möjligt att utföra beräkningarna med DNA-molekyler prydligt fästa på en glasplatta. Pionjären Leonard Adleman skriver på sin webbplats att ”DNA-datorer antagligen inte kommer att bli självständiga konkurrenter till elektroniska datorer”.

Från ånga till kvantdator

Frågan är om samma sak gäller kvantdatorerna. Det amerikanska företaget MagiQ Technologies räknar visserligen med att tekniken kan bli lika revolutionerande som ångan och elektriciteten. Men bland forskare som är insatta i ämnet är det få som tror att Pentium kommer att ersättas av Kvantium. De är mer intresserade av att mixtra med kvanttillstånd för att se hur materiens minsta beståndsdelar hanterar information. Fast om deras mixtrande en dag skulle leda till en fungerande dator, kommer den att revolutionera räknekonsten.

Till kvantdatorns specialiteter hör en oslagbar förmåga att dela upp stora tal i primtal (se Inför kvantsprånget, F&F 2/97). Vilken dator som helst kan snabbt dela upp talet 30 i primtalen 2, 5 och 3 (30 = 2 x 3 x 5). Större tal är betydligt svårare att faktorisera. Det är grunden för en typ av chiffer som många banker använder för att skydda sina transaktioner. Dagens snabbaste superdatorer skulle behöva jobba för fullt i flera miljarder år för att faktorisera ett 400 siffror långt tal. En fungerande kvantdator skulle klara den bedriften på omkring ett år. Den skulle dessutom överglänsa allt annat när det gäller att snabbt hitta information i databaser.

Ett logiskt korthus

Svårigheten är att bygga själva datorn. Den lagrar information i form av kvantbitar. Ju fler kvantbitar som ingår i systemet, desto större är risken att datorn kraschar.

– Det hela liknar ett korthus: ett kort räcker för att rasera hela huset, och flera våningar innebär större rasrisk, säger Anders Karlsson, docent i fotonik med mikrovågsteknik vid Kungl Tekniska Högskolan i Stockholm.

Visserligen finns det sätt att rätta felräkningar. Men då behövs ännu fler kvantbitar. Det är en stor utmaning, eftersom dagens skickligaste kvantdator bara kan hålla reda på sju kvantbitar. För att lösa problem som andra datorer inte klarar av skulle kvantdatorn behöva omkring 10 000 kvantbitar, berättar Per Delsing som är professor i mikroelektronik vid Chalmers tekniska högskola. Hans forskning handlar bl a om att utveckla teknik för att avläsa kvantbitar.

– Man trampar verkligen i barnskorna här, säger han.

När tidningen Popular Mechanics år 1949 spekulerade över datorernas framtid var det kiseltekniken som trampade i barnskorna. På den tiden var det vakuumrören som hade framtiden för sig, enligt experterna. Det har aldrig varit lätt att sia om hur framtidens datorer kommer att fungera.