Nanoteknologi, der skubber grænserne for computing med hastighed og effektivitet

Avancerede computeringsteknologier gør store fremskridt mod at opnå høj hastighed og lavt strømforbrug.

Vigtige fremskridt inden for dette område omfatter nye siliciumarkitekturer, der bruger lagdelte designs til at bygge hurtigere og mindre chips til lavere omkostninger. Samtidig udnytter fotonisk computing lysbølger til at behandle og lagre data. Med lysets hastighed, som simpelthen er uovertruffen, kan dette tilbyde høj hastighed og lav latenstid.

Derefter er der biologisk computing, hvor information kodes og lagres i biologiske celler, drevet af fremskridt inden for nanobioteknologi. Kvantecomputing tilbyder også betydeligt potentiale ved at løse komplekse problemer hurtigere end nutidens computere ved at udnytte kvantesuperposition, sammenfiltring og interferens.

Desuden efterligner neuromorfisk computing hjernens neurale systemer for at udføre parallelle beregninger; cloud computing flytter behandlingen til fjern- eller virtuelle lokationer; og edge computing flytter behandlingen fra centraliserede faciliteter tættere på slutbrugerne.

Alle disse udviklinger inden for computeringsteknologi, som fokuserer på værktøjer og systemer til behandling, lagring og kommunikation af data, har ført til hidtil usete fremskridt inden for områder som kunstig intelligens (AI) og dataanalyse.

Løbende forskning på området har ført til fortsat og hurtig innovation inden for computeringsteknikker, hvor forskere nu går endnu dybere for at opnå bedre, hurtigere og mere effektive resultater.

Gennembrud i laser-nanoskala fremstilling i silicium

Forskere fra Bilkent University, Tyrkiet, har for nylig opnået et betydeligt gennembrud ved at udvikle en teknik til fremstilling af nanostrukturer dybt inde i silicium wafere. 

Den nye metode muliggør nanofremstilling i silicium gennem rumlig lysmodulation og laserpulser, hvilket skaber avancerede nanostrukturer, der vil gavne elektronik og fotonik.

Undersøgelsen fokuserede på silicium, grundlaget for elektronik, fotonik og fotovoltaik. Som halvleder ligger siliciums elektriske ledningsevne mellem en isolator og en ren leder. Det er det næstmest udbredte element i jordens skorpe og har både metalliske og ikke‑metalliske egenskaber. Derudover gør siliciums fremragende elektriske egenskaber, herunder det relativt lille energibånd, det til et vigtigt materiale i halvlederindustrien.

Dog er silikone begrænset til nanofremstilling på overfladen på grund af de vanskeligheder, som eksisterende litografiteknikker medfører. Nuværende metoder er enten ude af stand til at trænge gennem waferens overflade uden at forårsage ændringer eller er begrænset af opløsningen i laserlitografi. Derudover tillader eksisterende teknikker ikke højpræcisionsmodulation dybt inde i waferen. 

Hvis enheder kunne blive fremstillet direkte inde i massen af dette metal uden at ændre waferens øvre eller nedre overflade, ville det sætte en ny standard.

Selvfølgelig betyder det, at man kommer forbi alle disse udfordringer med en fremstillingsopløsningsgrænse på mere end 1 mikron, mens man samtidig opnår multidimensionel nanoskalakontrol inde i waferen. At gøre dette ville dog være et magisk fremskridt, der muliggør 3D-nanofotonik med nye funktionaliteter og fører til metasurfaces i Si. 

Den seneste forskning udnyttede rumligt modulerede laserstråler og anisotrop feedback fra forudformede undergrundsstrukturer for at opnå dette. Dette tillod holdet at etablere kontrolleret nanofremstillingskapacitet i Si ved at manipulere materiale på nanoskala. 

For at uddybe adresserede Bilkent-teamet udfordringen med komplekse optiske effekter inden i waferen og den iboende diffraktionsgrænse for laserlyset ved at udnytte den unikke laserpuls, som blev skabt ved at modulere det rumlige. De rumligt modulerede laserpulser svarer til en Bessel-funktion.

De optiske spredningseffekter, som havde hindret den præcise energiudbringning, blev derefter overvundet af den specielle lasers stråles ikke‑diffrakterende natur. bliver skabt med avancerede holografiske projektionsteknikker, som muliggør præcis lokalisering af energi. Dette fører til tilstrækkeligt højt tryk og temperatur til at modificere materialet i et lille volumen. 

Ifølge Onur Tokel, professor ved Institut for Fysik:

“Vores tilgang er baseret på at lokalisere energien fra laserpulsen inden i et halvledermateriale til et ekstremt lille volumen, så man kan udnytte fremkomne felterforstærkningseffekter, der svarer til dem i plasmonik. Dette fører til sub-bølgelængde og multidimensionel kontrol direkte inde i materialet.”

Han tilføjede:

“Vi kan nu fremstille nanofotoniske elementer begravet i silicium, såsom nanogitter med høj diffraktionsvirkning og endda spektralkontrol.”

Dette blev efterfulgt af en fremkommende såningsvirkning, hvor nano-voids udført på underfladen skabte en stærk felterforstærkning i deres nærmiljø. Når den er etableret, opretholder den resulterende felterforstærkning sig selv, hvilket betyder at fremstillingen af tidligere nanostrukturer hjælper med at fremstille de senere nanostrukturer. 

I mellemtiden gav brugen af laserpolarisation forskerne yderligere kontrol over nanostrukturers justering og symmetri på nanoskala, hvilket muliggør præcis udvikling af forskellige nano-arrays.

“Ved at udnytte den anisotrope feedback-mekanisme, der findes i laser‑materiale‑interaktionssystemet, opnåede vi polarisation‑styret nanolitografi i silicium.”

– Studieens hovedforfatter, Dr. Asgari Sabet 

Denne nye fremstillingsteknik har opnået funktioner så små som 100 nm, hvilket er en stor forbedring i forhold til de konventionelle regime. 

Denne undersøgelse kan have betydelige implikationer for systemer på nanoskala med specifikke strukturer ved at demonstrere stor‑område volumetrisk nanostrukturering med multidimensionel kontrol og funktioner ud over diffraktionsgrænsen. Ifølge forskerne kan potentielle fremtidige fremskridt som følge af denne undersøgelse omfatte metamaterialer, metasurfaces, informationsbehandlingsapplikationer og fotoniske krystaller.

Forskningen viser også et betydeligt potentiale for integration med on‑chip systemer, hvor den introducerede nanogitterkapacitet er et skridt i retning af dette mål. Undersøgelsen bemærker, at den også udgør den første lagdelte Si-fotonik.

Samlet set har undersøgelsen introduceret “et nyt fremstillingsparadigme for silicium. Evnen til at fremstille på nanoskal direkte inde i silicium åbner et nyt regime mod yderligere integration og avanceret fotonik,” sagde Prof. Tokel. Det næste skridt for undersøgelsen er at undersøge, om komplet 3D-nanofremstilling i Si kan opnås. 

Klik her for at lære, hvordan avanceret nanofotonik vil hjælpe os med at bygge en bedre smartphone.

Nanomaterialer baner vejen for næste generations computing

Som vi så ovenfor, sigter forskerne mod nanostrukturer for bedre resultater. Nanoteknologi handler om at kontrollere materiale på nanoskala, fra 1 til 100 nanometer i størrelse. 

På så lille skala kan vi opleve unikke egenskaber og adfærd af materialer, hvilket gør det muligt for forskere og ingeniører at manipulere dem til forskellige anvendelser. Som følge heraf har nanoteknologi brede implikationer på tværs af mange industrier, herunder energi, elektronik, medicin og materialvidenskab.

Med stort potentiale for at tackle nogle af verdens mest presserende udfordringer har nanoteknologi udviklet sig hurtigt med kontinuerlige fremskridt og gennembrud, især inden for computing og elektronik. Nanoteknologi har faktisk bidraget væsentligt til store fremskridt i disse sektorer, hvilket har ført til hurtigere, mindre og mere bærbare systemer.

For eksempel har nanomaterialer som grafen og kulstofnanorør vist lovende resultater i skabelsen af fleksibel og gennemsigtig elektronik.

Nanostrukturer har transformeret felterne inden for halvledere og computing ved at forbedre de elektriske, optiske og magnetiske egenskaber af materialer ud over deres bulk-modparter.

I denne sammenhæng gøres fremskridt inden for kvantecomputing og kommunikation ved hjælp af nanoskalale kvantebits. Derudover fortsætter forskningen med at udvikle nanomaterialer til højkapacitets, hurtigopladende batterier og superkondensatorer. Samtidig muliggør fremskridt inden for nanoskalafremstillingsteknikker skabelsen af miniaturiserede enheder og komponenter med kraftfuld ydeevne.

Ved at muliggøre udviklingen af mindre og mere effektive enheder såsom nanoskalatransistorer og hukommelseschips har nanoteknologi enormt øget computerkraft og lagerkapacitet, hvilket presser Moore’s lovs grænser.

Moore’s lov, som refereres til her, blev formuleret af Intel (INTC ) -medstifter Gordon Moore, som påstod, at antallet af transistorer på en enkelt chip ville fordobles cirka hver anden år, med minimal stigning i omkostninger.

Hvis vi ser på det, var det i 1950’erne, at transistorer først begyndte at erstatte vakuumrør som den centrale komponent i elektroniske kredsløb. Mens de første transistorer typisk var en centimeter lange, blev de snart målt i millimeter.

Spol frem til begyndelsen af dette århundrede, var størrelsen reduceret til mellem 130 og 250 nanometer, kun for at blive yderligere nedskaleret til blot 14 nanometer for omkring et årti siden. Så i 2015 halverede IBM denne størrelse ved at skabe den første syv-nanometer transistor. Denne rejse mod mindre, men bedre og hurtigere transistorer fortsætter stadig i dag.

I de seneste år har den mindste transistorstørrelse i produktion blivet reduceret til 3 nm, med IBM der annoncerede en 2 nm transistor i maj 2021, som er mindre end et DNA-streng. Vi fokuserer på transistorer, fordi de er grundlæggende for at drive næsten enhver elektronisk enhed.

Interessant nok, jo mindre disse transistorer bliver, desto mindre strøm forbruger de, og desto hurtigere bliver de. Dog mener mange, at man kun kan gøre noget mindre i en begrænset periode, og til sidst vil vi ikke kunne fortsætte med at nedskalere. Det er da, nye nanomaterialer og avanceret teknologi vil være nødvendige for at forbedre vores enheder.

Dette har ført forskere til at skifte fokus til teknologier som neuromorfe systemer, som kræver udvikling af nye kunstige neuroner og synapser, der kan overgå ydeevnen af standard CMOS (komplementær metal‑oxid‑semiconductor) kredsløb.

Ved at bruge kunstige neuroner og synapser simulerer disse computere, hvordan den menneskelige hjerne behandler information. Dette gør dem i stand til at genkende mønstre, løse problemer og træffe beslutninger mere effektivt og hurtigere end nuværende computere. Selvom dette felt stadig er nyt, viser det lovende resultater inden for kognitiv computing, autonome køretøjer og AI, hvor hastighed og effektivitet er vigtige.

Forskere undersøger også nye materialeklasser, såsom kvanteprikker og grafen, for at imødekomme behovene i avanceret computing. Seneste studier har undersøgt Quantum Dot Cellular Automata (QCA) for at designe nanoskalacomputere med forbedringer i både hastighed og effektivitet.

Udover grafen overvejes 2D-materialer som overgangsmetal-dichalcogenider (2D‑TMD’er) til brug i halvledere. Dette materiales brede overfladeareal muliggør effektiv lysinteraktion og forbedrer dets egnethed til at manipulere lys, mens dets usædvanlige ladningsbærermobilitet øger enhedens ydeevne. Dets holdbarhed gør det robust for forskellige virkelige anvendelser.

Som nævnt ovenfor sigter den seneste forskning, der opnår nanofremstilling i silicium, også på at muliggøre næste generation af siliciumbaserede chips med langt større behandlingskraft.

Klik her for en liste over topvirksomheder, der arbejder på at fremme nanoteknologifeltet.

Virksomheder, der arbejder med avanceret computing-teknologi

Hvis vi ser på virksomheder, der er involveret i dette område, leverer Applied Materials (AMAT ) (AMAT) nanofremstillingsteknologi til avancerede halvledere. Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) udvikler højtydende computerhardware og udforsker avancerede computing-teknologier.

NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), kendt for sine GPU’er, er også stærkt investeret i forskning inden for kvantecomputing. Nvidia supercomputere bruges til at udvikle kvanteannealing-systemer til at løse specifikke problemer. NVIDIA, ofte omtalt som ‘AI-darling’, har set sine aktier stige 157% år‑til‑dato (YTD).

Virksomheden registrerede rekordomsætning på $26 bln i 1Q24, en stigning på 18% i forhold til foregående kvartal og 262% i forhold til året før. Selskabet annoncerede også en ti‑til‑én aktiesplit den 7. juni 2024 og hævede sit kvartalsvise kontantudbytte til $0,01.

Lad os nu se på de virksomheder, der er pionerer inden for forskning i avanceret computing, nanoteknologi og innovation inden for chipdesign.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) er en populær teknologivirksomhed, der er involveret i cloud- og AI-muligheder. Dens fokus er på forskning i kvantecomputing og fremme af halvlederteknologi.

I løbet af det seneste år introducerede virksomheden sin nyeste generation kvanteprocessor, IBM Heron, som har 133 faste frekvens‑qubits og en tre‑ til fem‑fold forbedring i enhedens ydeevne.

Ifølge Jay Gambetta, VP hos IBM Quantum:

“Den fulde kraft ved at bruge kvantecomputing vil blive drevet af generativ AI for at forenkle udvikleroplevelsen.”

Virksomheden har en markedsværdi på $180,57 mia., og dens aktier handles til $195,51, en stigning på 19,86% YTD. Dens udbytteafkast er 3,41%. For 2Q24 rapporterede IBM en omsætning på $15,8 mia., en stigning på 2% i forhold til året før.

Den frie cash flow var imidlertid $2,6 mia., som virksomheden hævede til $12 mia. for helårsudsigten, med $1,5 mia. returneret til aktionærer i udbytte i perioden. Virksomheden afsluttede kvartalet med $16 mia. i kontanter, begrænsede kontanter og omsættelige værdipapirer. Mens IBM’s ekspertise inden for enterprise AI og dens generative AI-forretning er vokset til over $2 mia. siden lanceringen af Watsonx for et år siden, sagde IBM CEO Arvind Krishna:

“Vi havde et stærkt andet kvartal, der oversteg vores forventninger.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) innoverer chipdesigns og udforsker neuromorfe og kvantecomputing. Denne halvlederchipproducent er opfinderen af x86-serien af mikroprocessorer, som findes i de fleste personlige computere. Virksomheden arbejder i øjeblikket på genvinde sin førende position i global chipfremstilling, for hvilket den modtog finansiering via tilskud og lån fra den amerikanske regering.

Gennem neuromorfisk forskning sigter Intel mod at accelerere fremtiden for adaptiv AI ved at co‑designe optimeret hardware med næste generations AI-software. Derudover har Intel etableret Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Dette globale samarbejde forener teams fra forskningsinstitutioner, akademiske grupper, virksomheder og regeringslaboratorier for at fremme frontlinjen inden for hjerne‑inspireret AI.

Virksomheden har en markedsværdi på $89,56 mia., og dens aktier handles til $21,06, en nedgang på 58,23% YTD. For 2Q24 rapporterede Intel “skuffende” finansielle resultater, med en omsætning på $12,8 mia., en nedgang på 1% YoY, mens non‑GAAP EPS var $0,02. Virksomheden annoncerede et suspenderet udbytte fra fjerde kvartal 2024, mens den gentog sit “langsigtede engagement i et konkurrencedygtigt udbytte, efterhånden som cash flows forbedres til bæredygtigt højere niveauer.”

Konklusion

Advanced computing, which focuses on new methods and technologies that drive innovative computing methods, is attracting significant interest from companies, researchers, engineers, and governments alike. After all, it is fundamental to cybersecurity, financial markets, and many other critical infrastructures. Moreover, the widespread use of AI is supported by advanced computing power, along with data, algorithms, and microchips.

In the past few decades, advances in computing technology have significantly enhanced the performance and functionality of the devices we regularly use, thereby fueling the growth of the digital economy.

Given its profound impact on society, continued research and development are a must to meet the demands of power‑hungry computation and pave the way for advanced computing, enabling the creation of products and services that were previously unimaginable.

Klik her for en liste over de bedste nanoteknologi-aktier.