Skriften i sandet: Tidens sand

Måske vil computernes indmad en dag blive erstattet af organiske molekyler, af DNA og bakterier. Eller måske vil man blive ved med at bruge det gode gamle sand  siliciumatomerne


Af Robin Engelhardt

I de sidste fire årtier har computernes regnekraft undergået en bemærkelsesværdig udvikling. I takt med at antallet af mulige regneoperationer og hastigheden er steget som en eksponentiel kurve, er prisen på computerne faldet med lignende styrke. Bag dette besynderlige fænomen ligger der er en tommelfingerregel, som er blevet kaldt »Moores lov«, opkaldt efter en af grundlæggerne af Intel, Gordon Moore, der i 1960 erne observerede, at ingeniører kunne fordoble kapaciteten i datamaternes strømkredse hvert eneste år. Også Internettets vækst og den tilhørende netværksbaserede økonomi synes at følge denne lov, og derfor spekulerer forskerne på, om Moores lov nu langsomt vil finde sin naturlige afslutning, i og med at den uundgåelige kapacitetsgrænse for de siliciumbaserede computere nås.

Andre tror, at der findes en endnu ukendt teknik, som vil få Moores lov til at fortsætte en rum tid endnu. Hvad det er for en teknik, er der til gengæld ingen der ved. I laboratorier verden over, på universiteter og hos de store firmaer som IBM, Bell Labs, Sony, GE og AT&T, forskes der i mulighederne for at skubbe fremtidens strøm- kredse bort fra deres velkendte siliciumkomponenter, og erstatte dem med så eksotiske ting som »qubits«, organiske stoffer, DNA og endda bakterier. Man har tidligere forsøgt at udskifte silicium med stoffet gallium arsenid og med optiske enheder, men det er endnu ikke lykkes at finde troværdige alternativer til den sandholdige variant i nutidens regnemaskiner.

Molekylcomputere
En af de mere kuriøse varianter er de såkaldte molekylære computere. Man vil udnytte den omstændighed, at individuelle molekyler kan bruges som mikroskopiske kontakter. Ved at formindske de enkelte siliciumtransistorer man kender i dag ned til 180 nanometre kan man stuve 28 millioner transistorer ned på en enkel chip. Eksperter tror, at man ikke kan komme under 100 nanometer. Det vil være en naturlig grænse, og selv hvis det kan laves mindre, vil der komme mærkelige kvanteeffekter og ødelægge de elektriske strømme. Men hvis det var muligt at opkoble individuelle molekyler i en kæde af elektriske strømkredse, der kun er få nanometre i omkreds, ville det ændre computerindustrien fundamentalt. Molekylære hukommelser har potentialet til at indeholde en million gang så meget lagerkapacitet som de bedste halvlederchips i dag.

Supercomputere kunne blive så små, at de kunne presses ind i et stykke A4-ark, i tøj eller neglelak. De hidtil bedste kandidater for små molekylære ledninger er kulstofbaserede nanorør, der er nogle velordnede rør med kun et par nanometer i diameter. Et af problemerne med disse nanorør er dog, at de har tendens til at klumpe sammen som henkogt spaghetti, og ikke som velordnede gittre. Produktionsprocessen kunne gå ud på, at man blot dyppede chipsene ned i en opløsning af de organiske molekyler, der så vil arrangere sig spontant. Men det største problem er, at der uundgåeligt vil forekomme masser af defekter, som vil forhindre dannelsen af entydige logiske kredse til brug for en sikker databehandling. Kommer man ned på kvanteniveau, sker der mærkelige ting. Her er dagligdagens forståelse af verdenen vendt op og ned. I kvanteverdenen kan elektroner være to steder samtidig, og atomkerner kan rotere både i den ene og den anden retning på én gang. Det er en bizar verden, hvor selve materien er opløst til en spøgelsesagtig tåge af sandsynligheder. Men ifølge en af de store guruer indenfor denne forskning, Isaac Chuang fra IBM s Almaden Research Center, er det alligevel muligt at lave beregninger her.

I gængse computere bliver bits repræsenteret af mange milliarder elektroner, som er samlede siliciumtransistorer, der ligger side om side på de små computerchips. Om de repræsenterer et 1 eller et 0 i den binære kode er afhægig af, om de er til stede eller ikke. Men når man først kommer ned til de enkelte partikler, er det ikke længere muligt at tolke tilstandene entydigt. Elektronerne kan være enten eller eller både og. De kaldes »qubits«.

Stadig kun teori
Oprindelig startede eventyret med Richard Feynman, der i 1981 fik ideen om kvantecomputere som en teoretisk abstraktion til at diskutere, hvad information er set ud fra kvantemekaniske principper. Siden har folk som Chuang forsøgt at føre de teoretiske diskussioner over til laboratorierne. Men lige meget hvad de prøvede, så ville kvantecomputerne ikke lege med, når det kom til den faktiske implementering i chips og ledninger. Ubestemmeligheden af de enkelte partikler kan ikke bibeholdes, så snart man vil manipulere med dem. Så selvom man har kunnet melde om fremskridt indenfor kvante-kryptering, er moderne computere, baseret på kvantemekaniske effekter, stadig kun en teoretisk idé.

Tom Knight fra afdelingen for kunstig intelligens på Massachussetts Institute of Technology er en af de førende forskere indenfor biocomputere. Han mener, at ideen med at bruge biologiske enheder som f.eks. bakterier og gener ikke er tænkt som en erstatning for almindelige computere. Det er snarere et led i at forfine de eksisterende metoder til at forbinde informationsbearbejdning og produktionsprocesser med. Man kunne for eksempel forestille sig en slags syntetisator for alle slags kemikalier lidt ligesom de omnipotente maskiner i Star Trek, hvor man bare skal sige, hvad man vil have at drikke, og straks beames en skoldhed kop Darjeeling-te ned på bordet. Man kunne også forestille sig biochips, som kan diagnosticere stofskifte og hormonbalance hos mennesker, og så udskille den rette dosis medicin, hvis det er nødvendigt.

Firmaer som DuPont begynder allerede nu at udvikle metoder, hvor man vil bruge programerbare celler som biokemiske fabrikker til produktionen af proteiner. Hvis man en dag får den rette kontrol over de genetiske kredsløb, vil man kunne lave en uendelig mængde skræddersyede proteiner. Også bakterier kunne programmeres til at lave medicin, vitaminer, osv. Men Knight indrømmer, at alt dette er rimelig meget fremtidsmusik. For at kunne fremstille bestemte stoffer i et biologisk system må man forstå i detaljer, hvordan det biologiske system virker. Man ved mere om gener end om f.eks. neurobiologi, et andet lovende forskningsfelt, men alligevel er der uendelig lang vej, før man kan komme til bunds i tingene.

DNA-computere
Digital hukommelse ved hjælp af DNA og proteiner? Naturen har gennem milliarder af år lært sig selv, hvordan man pakker højt sofistikeret molekylær hi-fi udstyr ned i blot en enkel bakterie, der ikke er meget større end en enkel transistor i computeren. Så hvorfor ikke. Set gennem en ingeniørs briller har evolutionen frembragt de mindste og mest effektive computere i verden. I 1994 kunne DNA-computerens fader, Leonard Adleman fra University of Southern California som den første forsker i verden finde en løsning på et matematisk problem, ingen normal computer har været i stand til at beregne før. Det handlede om en variant af det såkaldte »traveling salesman problem«, der går ud på at finde ud af, hvordan en handelsrejsende bruger mindst mulig benzin, hvis han pendler mellem et givent antal byer. Så snart antallet af byer overstiger en vis grænse, bliver de normale computeres beregningsmæssige kapacitet for lille til, at de finde den optimale løsning.

Enden på Moores lov
Adlemans DNA-computer bruger en anden metode. Den går ud på at repræsentere alle mulige løsninger til problemet i form af DNA-stumper, der kan ses som en slags logiske enheder, hvor baserne pares efter bestemte regler. DNA-varianterne sættes fast, og så lader man de komplementære DNA-strenge, der tilfredsstiller nogle logiske delløsninger af problemet, flyde frit omkring i en opløsning hen over. Efter at strengene har kombineret sig og dannet dobbeltstrenge, bruges nogle skræddersyede enzymer til at eliminere alle de DNA-strenge, som ikke er blevet bundet. Så fremdeles gentages proceduren i flere omgange. Til sidst er kun de DNA-dobbeltstrenge tilbage, som repræsenterer løsningen på hele problemet. Fordelen ved denne form for beregning er, at den foregår parallelt: Alle forkerte løsninger fjernes samtidig og hastigheden, hvormed man finder løsningen, øges betragteligt.

Men ifølge Adleman handler det ikke så meget om at konkurrere med silicium, som det handler om at finde nye kombinationer. Selvom DNA i princippet kan kværne tal meget hurtigere end de elektriske kredsløb, er en implementering stadig ikke i sigte. Alt i alt må man erkende, at der foreløbig ikke ligger nogen oplagt konkurrent til siliciumcomputeren og venter i kullissen. Ideerne er mange og særdeles fantasirige, men der er ingen tegn på, at de kan bryde fri fra en udvikling baseret på siliciumatomer, der i stigende grad bider sig fast, jo mere sofistikerede og udbredte computerne bliver. Måske må man bare finde sig i, at Moores lov ikke er nogen naturlov, men en midlertidig rettesnor, der sandsynligvis ikke vil hold i længden.

0 comments:

There was an error in this gadget