Niobiumfosfid kan gøre datacentre mere effektive ved at løse materialets svage ledningsforbindelse

Ny leder nødvendig for nanochips

Når man producerer avancerede computerchips, har det primære teknologiske fokus været på at reducere størrelsen på transistorer og skabe mere avancerede former for halvledermaterialer. Dette har været drivkraften bag succesen for virksomheder som TSMC (TSM ), som nu når chip‑noder i 3‑ eller endda 2 nm (nanometer) skalaen.

Men i denne skala dukker der nye problemer op, som ikke er relateret til halvledere. Et af dem er, at traditionelle ledende materialer som kobber ikke leder elektricitet godt, når metaltråden bliver for tynd.

Dette kan skabe flaskehalse for elektriciteten inde i chippen, hvilket reducerer computerkraften og den samlede effektivitet samt forårsager overophedning.

Derfor er det vigtige nyheder, at forskere ved Stanford University, Ajou University i Suwon (Sydkorea) og IBM Watson Research Center har udviklet et ultratyndt materiale, der leder elektricitet bedre end kobber under disse forhold.

De offentliggjorde deres opdagelse i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science, med titlen “Overfladeledning og reduceret elektrisk resistivitet i ultratyndt ikke‑krystallinsk NbP‑semimetal¹”.

Erstatning af kobber i computing

På grund af sin relativt lave pris og fremragende elektriske ledningsevne har kobber været det primære metal til elektrisk forbindelse og er også et nøglemetal i batterier, el‑netværk osv.

Dog, på grund af kobbers svagere ledningsevne ved nanoskalaer under 50 nm, har forskere i et stykke tid søgt efter alternativer. Problemet er, at kendte ledere, der fungerer på nanoskalalevel, har ekstremt præcise krystallinske strukturer, som skal dannes ved meget høje temperaturer.

Dette kan ikke fungere for halvledere og chips, da den høje temperatur ville ødelægge de skrøbelige siliciumkomponenter.

Niobiumfosfid

Forskerne arbejdede med niobiumfosfid, et materiale, der er kendt for at udvise unikke elektriske egenskaber, såsom superhurtige elektroner og meget høj magnetoresistans. Det er allerede i brug i laser‑ og høj‑effekt / høj‑frekvens‑applikationer.

Niobiumfosfid kaldes et topologisk semimetal: det betyder, at mens hele materialet kan lede elektricitet, er overfladen mere ledende end midten.

For at forenkle konceptet lidt kan vi sige, at jo tyndere laget af niobiumfosfid er, jo større overfladeandel har det, med næsten ingen “midte”. Som følge heraf kan man forvente, at jo tyndere niobiumfosfid er, desto mere ledende bliver det.

“Det har man antaget, at hvis vi vil udnytte disse topologiske overflader, har vi brug for pæne enkeltkrystallinske film, som er meget svære at aflejre. Nu har vi en anden klasse af materialer – disse topologiske semimetaler – som potentielt kan fungere som en måde at reducere energiforbruget i elektronik på.”

Akash Ramdas – en doktorand ved Stanford

Dette er et meget nyt felt, hvor fysikere først begyndte at eksperimentere med topologiske semimetaler i 2015. Og en <5 nm tynd film er aldrig blevet produceret før.

Lavere temperatur for computerapplikationer

Kilde: Stanford Report

Ved yderligere analyse ser det ud til, at den høje ledningsevne skyldes ledende kanaler på overfladen af den ultratynde film.

Filmen kan aflejres ved kun 400 °C (752 °F), en temperatur der er lav nok til ikke at beskadige de nærliggende silicium‑transistorer i en computerchip. Derfor ville dette gøre det til et ideelt materiale til at forbinde chipens interne komponenter med lav modstand og dermed lav varmeproduktion.

“Hvis du skal lave perfekte krystallinske ledninger, vil det ikke fungere for nanoelektronik.

Men hvis du kan lave dem amorfe eller let uordnede, og de stadig giver dig de egenskaber, du har brug for, åbner det døren til potentielle anvendelser i den virkelige verden.

”

Yuri Suzuki – professor i anvendt fysik

Høj ledningsevne

Sammenlignet med normale film af niobiumfosfid var den 5 nm tynde film 6 gange mere ledende. Dette var også lavere end almindelige metaller som kobber.

Da den var 1,5 nm tynd, var materialet dobbelt så ledende som kobber.

Så dette er virkelig det allerførste eksempel på ikke‑krystallinske, lavtemperatur‑ledere, der overgår normale metaller i ledningsevne på nanoskalaen.

Kilde: Stanford Report

“Virkelig høj‑densitetselektronik kræver meget tynde metalforbindelser, og hvis disse metaller ikke leder godt, mister de meget strøm og energi.

Bedre materialer kunne hjælpe os med at bruge mindre energi i små ledninger og mere energi på selve beregningen.

”

Eric Pop – professor i elektroteknik

De næste skridt

Det næste skridt er at teste i en rigtig chip, hvor godt niobiumfosfid‑tråd fungerer, når den anvendes i nanoelektronik, ikke kun med hensyn til ledningsevne, men også pålidelighed og hvordan den kan integreres i fremstillingsprocessen.

For at gøre dette skal de først bygge niobiumfosfid‑nanotråd i skala.

Et andet arbejde vil være at undersøge, om dette koncept kunne bæres bedre af andre semimetaler, der måske fungerer endnu bedre end niobium.

“For at denne klasse af materialer kan blive adopteret i fremtidig elektronik, har vi brug for, at de er endnu bedre ledere. I den forbindelse undersøger vi alternative topologiske semimetaler.”

Xiangjin Wu – en doktorand ved Stanford

Varmeafledning er nu en af de mest energikrævende processer i disse datacentre, lige så meget som selve beregningen. Dette gælder især for 5‑3 nm chips, der kræves til AI‑træning og de mest komplekse beregninger.

Så på længere sigt vil materialer, der leder på nanoskala, være et must, da varmeproduktionen bliver et stadig større problem for datacentre, der bruger avancerede chips.

Det er også muligt, at ultratynde niobiumfosfid‑film vil finde andre anvendelser i avanceret teknologi, især hvor dette materiale allerede anvendes, såsom laser‑ eller telekommunikationsudstyr.

Investering i avancerede ledende materialer

Efterhånden som avancerede chips og halvlederkomponenter bliver mindre, koncentrerer branchen sig om en håndfuld store producenter som TSMC (TSM ), Intel (INTC ) eller Nvidia (NVDA ) (følg linkene for dedikerede rapporter for hver af disse virksomheder).

Du kan investere i semikonduktorrelevante virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, Storbritannien samt mange andre lande.

Eller, hvis du foretrækker en mere diversificeret tilgang, kan du investere i semikonduktorrelevante ETF’er som iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH) eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan også lære mere om forsyningskæden for udstyr til fremstilling af halvledere og nøglevirksomheder i “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Computing Advanced Material Company

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) var den ledende kraft bag kommercialiseringen af den første mainframe‑computer. Det var også den vigtigste industrielle partner for Stanford‑forskerne i deres niobiumfosfid‑projekt.

Virksomheden er faldet bagud i produktionsvolumen i forhold til andre teknologigiganter som Apple (AAPL ), TSMC og NVIDIA.

Den er dog i frontlinjen for udviklingen af nye computer‑materialer og -teknologi.

IBM er i front med fremskridt inden for ledningsteknologi, og topologiske semimetaler er blot et af disse felter. Så de er ikke kun førende inden for nye ultratynde ledende materialer, men også inden for høj‑temperatur‑superledere.

Sådanne superledere er afgørende for kvantecomputere. For nylig udviklede IBM “Condor”, en kvanteprocessor med 1.121 superledende qubits baseret på cross‑resonance‑gate‑teknologi, sammen med “Heron”, en kvanteprocessor i spidsen af feltet.

Kilde: IBM

IBM er involveret i de fleste andre banebrydende innovationer inden for computing og halvlederindustrien. Disse omfatter ledende organiske materialer, neuromorfisk computing, fotonik osv.

Kilde: IBM

Til en vis grad er IBM blevet et “patentfirma” med ekspertise i at udvikle nye beregningsmetoder og licensere dem til industrien.

Indtil videre ser IBM ud til at være meget beslutsom med at holde så mange nøglepatenter inden for alle ikke‑silicium‑beregningsmetoder som muligt, hvilket gentager deres tidligere succes, da de i høj grad bidrog til at udvikle halvlederindustrien til den gigant, den er i dag.

Niobiumfosfid og andre teknologier relateret til topologiske semimetaler ville passe perfekt ind i den strategi, hvor IBM udvikler teknologien til at erstatte kobber i disse tilfælde og derefter licenserer den til de store chip‑foundries til fremstillingsprocesserne.

Studierreference:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). Overfladeledning og reduceret elektrisk resistivitet i ultratyndt ikke‑krystallinsk NbP‑semimetal. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096}