Information 8. maj 2000, 1. sektion, side 6
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, Loenard 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.