مواكبة قانون مور مع الركائز النشطة والحوسبة العصبية

الأنشاب الموصلات الجديدة المطلوبة

The semiconductor industry has constantly grown in importance over the last few decades, moving from industrial mainframe computers to an essential part of virtually every machine and device today.

هذا النمو تم دفعه بزيادة تعقيد الأشباه الموصلات وتصغير حجمها. ومع ذلك، بسبب الخصائص الفيزيائية الأساسية للسيليكون، بدأت أشباه الموصلات القائمة على السيليكون تصل إلى بعض الحدود.

لحسن الحظ، السيليكون ليس هو المادة الوحيدة التي تظهر خصائص أشباه الموصلات، أي القدرة على التحول من حالة عازلة (لا تسمح بمرور الكهرباء) إلى حالة موصلة (تسمح بمرور الكهرباء).

تكشف أبحاث جديدة عن رؤى جديدة في الفيزياء الأساسية للمواد المبتكرة كأشباه الموصلات مثل ثاني أكسيد الفاناديوم وخصائص أشباه الموصلات غير المتوقعة سابقًا لثاني أكسيد التيتانيوم.

The research was conducted by a multi-disciplinary research effort carried out by researchers at the Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology, and Germany’s Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin.

الفاناديوم وقانون مور

What makes vanadium dioxide a prime candidate for new semiconductor technology is the ability of vanadium to switch between metal — the “1” state — and insulator — the “0” state — in only a جزء من تريليون of a second.

هذه ظاهرة تُعرف بـ “التحولات بين المعدن والعازل”. يجب أن تسمح سرعة التحول بين المعدن والعازل بإلكترونيات أسرع وأصغر مقارنة بالإلكترونيات التقليدية القائمة على السيليكون.

هذا أمر أساسي إذا أردنا أن نرى صناعة أشباه الموصلات تواكب قانون مور.

صُغ قانون مور في عام 1965، وهو القانون التجريبي الذي يزيد فيه قطاع أشباه الموصلات عدد الترانزستورات على الشريحة بنسبة 100٪ كل سنتين. ظل هذا صحيحًا لعقود، لكن الحدود الأساسية للرقائق السيليكونية تعني أن أنواعًا جديدة من المواد ستحتاج قريبًا للحفاظ على هذا القانون.

قانون مور هو تطبيق على صناعة أشباه الموصلات لقانون رايت لعام 1936، الذي ينص على أن تكاليف التصنيع ستنخفض حتى 15٪ لكل تضاعف في الإنتاج (تم تطويره أصلاً لصناعة الطيران).

قانون رايت هو أكثر قاعدة حول اقتصاد الحجم وكفاءة الصناعة عند زيادة الإنتاج. في المقابل، يركز قانون مور أكثر على الابتكار التكنولوجي ويُقَدَّم بفضل التقدم في فهم الفيزياء الأساسية والهندسة على مستوى النانومتر.

رؤى جديدة

طرق متقدمة

Until now, vanadium dioxide has only been analyzed and observed as an isolated component. While useful, this limited the understanding of what would actually happen in a semiconductor relying on vanadium dioxide.

في نشرهم في مجلة Advanced Materials (\”In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition\”)، توصل الباحثون إلى عدة اكتشافات جديدة.

استخدموا ميكروسكوب حيّ للحيود بالأشعة السينية لملاحظة التغييرات في الوقت الفعلي وبدقة على المستوى الذري.

وقاموا بوضع ثاني أكسيد الفاناديوم على ركيزة من ثاني أكسيد التيتانيوم، كما يكون في شريحة أشباه موصلات حقيقية، بدلاً من دراسته بشكل معزول.

المصدر: Advanced Materials

This was a massive endeavor, with the study itself taking more than 10 years and involving many research teams and a multi-disciplinary approach.

“من خلال جمع هؤلاء الخبراء وتوحيد فهمنا للمشكلة، تمكنا من تجاوز نطاق خبرتنا الفردية واكتشاف شيء جديد.” – رومان إنجل-هيربرت، مدير معهد بول درود للأجهزة الإلكترونية الصلبة في برلين

حركات الفاناديوم

The researchers observed for the first time that the vanadium dioxide bulged upward when changing to a metal. This went contrary to theoretical predictions which assumed that it would shrink.

المصدر: Advanced Materials

They discovered that a previously unsuspected effect from missing oxygen atoms was responsible for the swelling of the material.

“These neutral oxygen vacancies hold a charge of two electrons, which they can release when the material switches from an insulator to a metal. The oxygen vacancy left behind is now charged and swells up, leading to the observed surprising swelling in the device.” Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

النشاط غير المتوقع لركيزة التيتانيوم

A quasi-dogma in semiconductor manufacturing is that only the thin film of semiconductor material on top of the substrate is active when submitted to a current. The substrate itself is an electrically and mechanically passive material.

في هذه الدراسة، اكتشف الباحثون أن هذا ليس هو الحال بالنسبة لأشباه موصلات ثاني أكسيد الفاناديوم.

بدلاً من ذلك، ينتفخ ثاني أكسيد التيتانيوم، الذي كان يُعتقد سابقًا أنه خامد، أيضًا، من نفس الآلية التي تشمل نقص ذرات الأكسجين.

بالإضافة إلى ذلك، تصرفت الطبقة العليا من ثاني أكسيد التيتانيوم مثل ثاني أكسيد الفاناديوم، حيث عملت أيضًا كأشباه موصل.

This new discovery will be crucial in building prototypes of commercial vanadium dioxide semiconductors.

التطبيقات

أشباه موصلات أسرع وأفضل

Vanadium dioxide is considered a very promising material to carry semiconductor technology to the next level, due to a few fundamental characteristics:

• يحدث التحول من العازل إلى المعدن (IMT) بسرعة هائلة تبلغ جزءًا من تريليون من الثانية، مما يفتح الطريق لحسابات فائقة السرعة.
• يتمتع ثاني أكسيد الفاناديوم بآثار إلكترونية مترابطة بقوة. ببساطة، يعني ذلك أن التنافر بين الإلكترونات لا يمكن تجاهله، كما يُفعل حاليًا في الإلكترونيات القائمة على السيليكون.
  • هذا بدوره يفتح إمكانيات وظائف جديدة مثل التوصيل الفائق عند درجات حرارة عالية والخصائص المغناطيسية المحسنة.

الحوسبة العصبية

The discovery of the positive feedback process due to vacancy ionization from the missing oxygen atoms should reduce IMT time even further.

لهذا عواقب مهمة جدًا، حيث يجعل ثاني أكسيد الفاناديوم مادة محتملة لتقنية حسابية جديدة تُسمى الحوسبة العصبية.

الحوسبة العصبية هي طريقة حيث تستلهم أنظمة الحواسيب من أدمغة الكائنات الحية التي تحتوي على خلايا عصبية.

هذا يختلف عن الشبكات العصبية المستخدمة حاليًا في الذكاء الاصطناعي والنماذج اللغوية الكبيرة التي تحاول تقليد الخلايا العصبية، لكنها لا تزال تعتمد على الترانزستورات السيليكونية الكلاسيكية وتستند في الغالب إلى التعلم الآلي القائم على البرمجيات.

لذلك، يمكن للرقائق العصبية أن تتعلم على مستوى العتاد. وبدلاً من المخرجات الثنائية (0 و 1)، ستنتج نبضات إشارة.

المصدر: Tech Target

Thanks to its very quick Insulator-To-Metal transition, vanadium dioxide with an active substrate of titanium dioxide could be used to create مذبذبات تشبه الخلايا العصبية من نوع Mott able to replicate at the hardware level biological neurons.

نظرة عامة

Vanadium dioxide semiconductors, neuromorphic computing, and Mott neuron-like spiking oscillators are at the very edge of material science and semiconductor design, probably at least a decade before reaching commercial viability.

إطار الزمن لهذا العقد هو بالضبط عندما يجب أن نتوقع أن تبدأ أشباه الموصلات القائمة على السيليكون في الفشل في الحفاظ على صحة قانون مور.

لا يوجد شيء في قانون مور ينص على أن أشباه الموصلات يجب أن تكون سيليكونية. بل هو ملاحظة تجريبية تفيد بأنه طالما هناك طلب على شرائح أكثر قوة، يواصل الباحثون تعلم المزيد عن فيزياء أشباه الموصلات على مستويات أصغر وأصغر.

نظرًا لأننا ندرس الآن الفاناديوم وثاني أكسيد التيتانيوم في الوقت الفعلي وعلى المستوى الذري، يبدو من المعقول توقع استمرار قانون مور وأن تكون مواد مثل الفاناديوم هي الخطوة التالية في تصميم أشباه الموصلات.

وبالطبع، يمكن لطرق الحوسبة المبتكرة الأخرى أن تساعد أيضًا في الحفاظ على قانون مور، مثل الفوتونيات أو الحوسبة الكمومية.

شركات أشباه الموصلات المتقدمة

1. Intel

إنتل هي عملاق في قطاع أشباه الموصلات وتطورت على مر السنين من مؤسسة في الصناعة إلى رائد في الابتكار العلمي، فقد فقدت الصدارة في حجم التصنيع لصالح شركات مثل TSMC التايوانية.

إنتل رائدة في الحوسبة العصبية، بما في ذلك من خلال شريحة Loihi 2.

المصدر: Intel [securities_stock_price_tag symbol="INTC" exchange="NASDAQ"]

كما أنشأت مجتمع إنتل للبحث العصبي، الذي يضم جامعة بنسلفانيا، المشاركة في هذا البحث الأخير عن ثاني أكسيد الفاناديوم، بالإضافة إلى أكثر من 75 مجموعة بحثية أخرى.

المصدر: Intel

إنتل نشطة أيضًا في تقليد الحواس البيولوجية من خلال تكرار طريقة عمل دماغنا (وهو فرع من الحوسبة العصبية)، وهو ما ناقشناه بمزيد من التفصيل في مقالتنا “رقائق الشم المقلدة للبيولوجيا: هل الذكاء الاصطناعي والأنوف الإلكترونية هي العصفورة التالية في منجم الفحم؟”

بشكل عام، الأبحاث من مختبر إنتل تقع في طليعة الابتكار في أشباه الموصلات، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي، الحوسبة الكمومية، الحوسبة العصبية، وغيرها. (ناقشنا تقدم إنتل في الحوسبة الكمومية في مقالتنا “الحالة الحالية للحوسبة الكمومية”).

2. IBM

رائد تاريخي آخر في الحوسبة، وأشباه الموصلات، وتصميم الشرائح، International Business Machines Corporation (IBM) تبحث أيضًا في الحوسبة العصبية (IBM ).

كما تطور SyNAPSE: الحوسبة العصبية المتزامنة ذات الكفاءة الطاقية القابلة للتوسع، بدعم من وكالة أبحاث الدفاع المتقدمة (DARPA)، لدمج “علوم النانو، علم الأعصاب، والحوسبة الفائقة لمحاكاة وتقليد قدرات الدماغ في الإحساس، الإدراك، الفعل، التفاعل والإدراك”.

كما أنها في طليعة تطوير الحواسيب الكمومية. على سبيل المثال، طورت حاسوبها الكمومي “Eagle” ذو 127 كيوبت، وتلاه نظام ذو 433 كيوبت يُعرف باسم “Osprey” ومعالج كمومي فائق التوصيل “Condor” الذي يحتوي على 1,121 كيوبت.

المصدر: All About Circuits

بالاشتراك مع إنتل، تُعد IBM من بين الشركات التي تدفع بقوة نحو تقنيات حوسبة جديدة، مثل الحوسبة الكمومية والعصبية، ومن المرجح أن تستفيد من التقدم المحرز في فهم الفيزياء الذرية الأساسية للمواد مثل ثاني أكسيد الفاناديوم.