Holde trit med Moores lov med aktive substrater og neuromorfisk beregning

Nye halvledere er nødvendige

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.

Denne vækst er drevet af halvledernes stigende kompleksitet og miniaturisering. Men på grund af siliciums grundlæggende fysiske egenskaber begynder siliciumbaserede halvledere at nå visse grænser.

Heldigvis er silicium langt fra det eneste materiale, der udviser halvlederegenskaber, dvs. evnen til at skifte mellem en tilstand, hvor det fungerer som isolator (ikke leder elektricitet), og en leder (leder elektricitet).

Ny forskning afslører nye indsigter i den grundlæggende fysik for innovative halvledermaterialer som vanadiumdioxid og tidligere uventede halvlederegenskaber ved titandioxid.

The forskning 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.

Vanadium & Moores lov

Det, der gør vanadiumdioxid til en førsteklasses kandidat til ny halvlederteknologi, er vanadiums evne til at skifte mellem metal — “1”-tilstanden — og isolator — “0”-tilstanden — på kun en trilliontedel af et sekund.

Dette er et fænomen kendt som “undergå metal‑isolator‑overgange”. Hastigheden af metal‑isolator‑overgangen bør muliggøre hurtigere og mindre elektronik sammenlignet med klassisk siliciumbaseret elektronik.

Dette er essentielt, hvis vi ønsker at se halvlederindustrien holde trit med Moores lov.

Formuleret i 1965 er Moores lov den empiriske lov, der siger, at halvlederindustrien fordobler antallet af transistorer på en chip hver anden år. Dette har holdt i årtier, men de grundlæggende begrænsninger i siliciumchips betyder, at nye materialetyper snart vil være nødvendige for at opretholde loven.

Moores lov er en anvendelse af Wrights lov fra 1936, som fastslår, at produktionsomkostningerne vil falde med op til 15 % for hver fordobling af produktionen (oprindeligt udviklet til luftfartsindustrien).

Wrights lov er mere en regel om stordriftsfordele og industriel effektivitet ved opskalering af produktionen. Moores lov handler derimod mere om teknologisk innovation og drives af fremskridt i forståelsen af grundlæggende fysik og nanometer‑skala ingeniørkunst.

Ny indsigt

Avancerede metoder

Indtil nu har vanadiumdioxid kun kunnet analyseres og observeres som en isoleret komponent. Selvom det er nyttigt, begrænsede det forståelsen af, hvad der faktisk ville ske i en halvleder, der benytter vanadiumdioxid.

I deres publikation i Advanced Materials (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition”) gjorde forskerne flere nye opdagelser.

De brugte røntgendiffraktionsmikroskopi til at observere ændringer i realtid og med præcision på atomart niveau.

Og de påførte vanadiumdioxid på toppen af et titandioxidsubstrat, som det ville være i en rigtig halvlederchip, i stedet for at studere det isoleret.

Kilde: Advanced Materials

Dette var en enorm indsats, hvor selve undersøgelsen tog mere end 10 år og involverede mange forskningsteams samt en tværfaglig tilgang.

“Ved at samle disse eksperter og samle vores forståelse af problemet, var vi i stand til at gå langt ud over vores individuelle ekspertiseområde og opdage noget nyt.” – Roman Engel‑Herbert, Direktør for Paul Drude Institute of Solid State Electronics i Berlin

Vanadiums bevægelser

Forskerne observerede for første gang, at vanadiumdioxid svulmede opad, når den skiftede til metal. Dette gik imod teoretiske forudsigelser, som antog, at den ville krympe.

Kilde: Advanced Materials

De opdagede, at en tidligere uventet effekt fra manglende iltatomer var ansvarlig for materialets svulst.

“Disse neutrale iltmangelpladser bærer en ladning på to elektroner, som de kan frigive, når materialet skifter fra isolator til metal. Den tilbageværende iltmangel er nu ladet og svulmer, hvilket fører til den observerede overraskende svulst i enheden.” Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Titandioxidsubstratets uventede aktivitet

En quasi‑dogma inden for halvlederfremstilling er, at kun den tynde film af halvledermateriale på toppen af substratet er aktiv, når den udsættes for en strøm. Selve substratet er et elektrisk og mekanisk passivt materiale.

I denne undersøgelse opdagede forskerne, at dette ikke gælder for vanadiumdioxid‑halvledere.

I stedet svulmer den tidligere antaget inerte titandioxid også, som følge af den samme mekanisme med manglende iltatomer.

Desuden opførte det øverste lag af titandioxid sig som vanadiumdioxid og fungerede også som en halvleder.

Denne nye opdagelse vil være afgørende for at bygge prototyper af kommercielle vanadiumdioxid‑halvledere.

Anvendelser

Hurtigere, bedre halvledere

Vanadiumdioxid betragtes som et meget lovende materiale til at bringe halvlederteknologien til næste niveau på grund af nogle få grundlæggende egenskaber:

• Isolator‑til‑metal‑overgangen (IMT) forekommer med en ekstrem hastighed på en trilliontedel af et sekund, hvilket åbner vejen for ultrahurtige beregninger.
• Vanadiumdioxid har stærkt korrelerede elektroniske effekter. Simpelt sagt betyder det, at frastødning mellem elektroner ikke kan ignoreres, som det i øjeblikket gøres i siliciumbaseret elektronik.
  • Dette åbner igen muligheder for nye funktionaliteter såsom højtemperatur‑superledning og forbedrede magnetiske egenskaber.

Neuromorfisk beregning

Opdagelsen af den positive feedback‑proces på grund af ionisering af manglende iltatomer bør reducere IMT-tiden yderligere.

Dette har meget vigtige konsekvenser, da det gør vanadiumdioxid potentielt i stand til at være det rette materiale til en ny type beregning kaldet neuromorfisk beregning.

Neuromorfisk beregning er en metode, hvor computersystemer tager inspiration fra levende systemers hjerner med neuroner.

Dette adskiller sig fra de neurale netværk, der i øjeblikket anvendes af AI og LLM’er, som forsøger at efterligne neuroner, men stadig er afhængige af klassiske siliciumtransistorer og primært er softwarebaseret maskinlæring.

Således kan neuromorfe chips lære på hardware‑niveau. I stedet for binær output (0’er og 1’er) ville de producere signal‑spidser.

Kilde: Tech Target

Takket være dens meget hurtige isolator‑til‑metal‑overgang kan vanadiumdioxid med et aktivt titandioxidsubstrat bruges til at skabe Mott neuron-like spiking oscillators able to replicate at the hardware level biological neurons.

Oversigt

Vanadiumdioxid‑halvledere, neuromorfisk beregning og Mott‑neuron‑lignende spidserende oscillatorer befinder sig i spidsen af materialvidenskab og halvlederdesign og er sandsynligvis mindst et årti fra kommerciel levedygtighed.

Dette årti er præcis det tidspunkt, hvor vi bør forvente, at siliciumbaserede halvledere begynder at fejle i at holde Moores lov gyldig.

Der er intet i Moores lov, der siger, at halvledere skal være siliciumbaserede. Det er snarere en empirisk observation, at så længe der er efterspørgsel efter kraftigere chips, fortsætter forskere med at lære mere om halvlederfysik på stadig mindre skala.

I betragtning af at vi nu studerer vanadium‑ og titandioxider i realtid og på atomart niveau, virker det rimeligt at forvente, at Moores lov vil holde, og at materialer som vanadium vil være det næste skridt i halvlederdesign.

Og naturligvis kan andre innovative beregningsmetoder også hjælpe med at holde Moores lov på rette kurs, såsom fotonik eller kvanteberegning.

Avancerede halvledervirksomheder

1. Intel

Intel (INTC ) er en gigant inden for halvledersektoren og har gennem årene udviklet sig fra en grundlægger af industrien til en videnskabelig og innovationsleder, men har mistet toppladsen i produktionsvolumen til virksomheder som Taiwans TSMC.

Intel er en leder inden for neuromorfisk beregning, herunder gennem deres Loihi 2‑chip.

Kilde: Intel

Det har også oprettet Intel Neuromorphic Research Community, som inkluderer Pennsylvania State University, der er involveret i denne nylige vanadiumdioxid‑forskning, samt over 75 andre forskningsgrupper.

Kilde: Intel

Intel er også meget aktivt i at efterligne biologisk sans ved at reproducere måden vores hjerne fungerer på (selv en gren af neuromorfisk beregning), noget vi diskuterede yderligere i vores artikel “Biomimetiske lugtecchips: Er kunstig intelligens og e‑næser den næste kanariefugl i en kulmine?”

Samlet set er forskning fra Intel Lab i frontlinjen af halvlederinnovation, herunder AI, kvanteberegning, neuromorfisk beregning osv. (vi diskuterer Intels fremskridt inden for kvanteberegning i vores artikel “Den aktuelle tilstand for kvanteberegning”).

2. IBM

En anden historisk pioner inden for computing, halvledere og chipdesign, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) undersøger også neuromorfisk beregning.

Den udvikler også SyNAPSE: Skalerbar energieffektiv neurosynaptisk beregning, støttet af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), for at kombinere “nanovidenskab, neurovidenskab og supercomputing for at simulere og efterligne hjernens evner til sansning, perception, handling, interaktion og kognition”.

Den er også i frontlinjen af udviklingen af kvantecomputere. For eksempel udviklede den sin 127‑qubit “Eagle” kvantecomputer, som blev efterfulgt af et 433‑qubit system kendt som “Osprey” og den 1.121‑superledende qubit‑kvanteprocessor “Condor”.

Kilde: All About Circuits

Sammen med Intel er IBM blandt de virksomheder, der mest aggressivt driver nye former for beregningsteknologier, såsom kvante- og neuromorfisk beregning, og vil sandsynligvis drage fordel af de fremskridt, der er gjort i forståelsen af den grundlæggende atomfysik for materialer som vanadiumdioxid.