10 førende virksomheder inden for nye beregningsteknologier

Fra silicium til nye former for beregning

Computerens historie begyndte med mekaniske apparater, som udførte beregninger, mennesker tidligere måtte udføre selv. Elektroniske computere blev senere udviklet med vakuumrør og derefter transistorer.

Integrerede kredsløb af silicium gjorde det muligt at samle stadig flere transistorer på en chip og øge regnekraften.

Kilde: Mobile First

I artiklens historiske sammenhæng udvikles fremstillingsprocesser med betegnelser som 5 nm og 2 nm. Disse betegnelser angiver ikke direkte størrelsen på hver transistor. Miniaturisering møder dog fysiske og tekniske begrænsninger.

Ved atomare dimensioner bliver materialernes egenskaber og kvanteeffekter afgørende. Problemer med fremstilling, varme og lækstrømme opstår længe før en transistor kan reduceres til ét atom.

Det betyder ikke nødvendigvis, at udviklingen i regnekraft stopper.

Nye arkitekturer, materialer og beregningsprincipper kan bidrage til fortsat udvikling. Flere af dem bruger stadig silicium. Her gennemgår vi nogle af mulighederne.

Halvledere af andre materialer end silicium

En halvleder er et materiale, hvis elektriske ledningsevne kan styres. I transistorer kan denne egenskab bruges til at repræsentere logiske tilstande med elektriske niveauer. Materialet er ikke blot skiftevis en leder og en isolator.

Silicium dominerer chipproduktionen, men alternativer undersøges. Båndgab, ladningsmobilitet, stabilitet og fremstillingsegenskaber er vigtige. Et båndgab alene gør ikke et materiale egnet.

Kilde: Energy Education

Vanadiumdioxid

Vanadiumdioxid undersøges på grund af overgangen mellem en isolerende og en metallisk tilstand. Under bestemte forhold kan overgangen ske på en tidsskala omkring en billiontedel sekund, altså et pikosekund.

Den hurtige overgang kan være nyttig i nye komponenter, men garanterer ikke i sig selv mindre eller hurtigere kredsløb end alle siliciumbaserede løsninger.

Ny forskning har formået at studere vanadiumdioxid aflejret på et substrat af titandioxid.

Forskerne undersøgte også et aktivt substrat af titandioxid, hvis halvlederegenskaber allerede var kendte. Kombinationen kan være nyttig i neuromorfe kredsløb, som efterligner visse neuronfunktioner.

Vanadiumdioxids isolator-metal-overgang kan bidrage til impulsdannende oscillatorer af Mott-neurontypen. De kan efterligne visse elektriske egenskaber ved biologiske neuroner, ikke en hel hjernes funktion.

Grafen

Grafen er et todimensionalt materiale med høj elektrisk ledningsevne. Særlige grafenstrukturer kan også udvise superledning under bestemte forhold; almindelig grafen er ikke automatisk superledende eller en direkte erstatning for silicium. Vi beskriver forskning i halvlederegenskaber i «Grafen‑halvledere – Er de endelig her?».

Organiske materialer

Visse organiske materialer kan danne todimensionale strukturer med interessante elektriske egenskaber. Det betyder ikke, at alle opnår grafens ledningsevne eller automatisk kan erstatte silicium. Læs mere i «Kan organiske halvledere kombinere fordelene ved grafen & silicium?».

Optimering af halvlederes energiforbrug

Energiforbrug og varmeafledning kan begrænse tætte, hurtige kredsløb. Mindre transistorer giver ikke nødvendigvis lavere samlet energiforbrug.

En forskningsretning er redoxstyring, hvor elektrokemiske processer bruges til at styre materialets egenskaber og muligvis reducere energiforbruget ved bestemte operationer.

Det kræver yderligere udvikling at omsætte sådanne resultater til konkurrencedygtige kredsløb. Vi gennemgår forskningen i «Redoxstyring kan forbedre energieffektiviteten i miniatureelektronik».

Fotonik

Alternative halvledere ændrer materialet i elektroniske komponenter. Fotonik undersøger i stedet, hvordan lys kan bruges til kommunikation og bestemte beregningsopgaver.

Optiske komponenter kan bearbejde information, ofte sammen med almindelig elektronik.

Lysets høje hastighed gør ikke automatisk hele computeren hurtigere. Omdannelse af signaler, hukommelse, præcision og systemarkitektur spiller også ind.

I praksis kan fotonik stadig anvende silicium, men også bygge på krystaller og andre materialer.

Optiske kredsløb skal håndtere lysets bølgeegenskaber, interferens og kobling mellem komponenter. Designet adskiller sig derfor fra rent elektroniske kredsløb.

Kilde: Synopsys

Kvanteregning

Kvantecomputere behandler information i kvantetilstande frem for udelukkende i klassiske elektriske logikniveauer.

En kvantebit, eller qubit, kan være i en superposition af basisværdierne 0 og 1. Ved måling fås et klassisk resultat. Superposition betyder ikke, at alle mulige svar kan aflæses samtidig.

Kvantecomputere er derfor et muligt supplement til klassiske computere ved bestemte opgaver.

Klassiske computere er ikke begrænset til lineære beregninger. Kvantealgoritmer kan give fordele ved visse problemer, eksempelvis simulering af kvantesystemer og bestemte kryptografiske opgaver. En generel fordel ved al klimamodellering eller proteinberegning er ikke påvist.

Nyttige fordele kræver passende algoritmer, tilstrækkelig kontrol med fejl og sammenligning med de bedste klassiske metoder.

Læs mere i «Den aktuelle tilstand for kvanteregning».

Biologiske organoider

Hjernen er effektiv til blandt andet mønstergenkendelse og sprog og bruger omkring 20 watt. Det betyder ikke, at dens funktion direkte kan kopieres som en almindelig computer.

Den schweiziske startup FinalSpark har beskrevet omkring 0,5 mm store organoider med cirka 10.000 menneskelige neuroner. Dens forskningsplatform giver fjernadgang til forsøg med biologiske neurale netværk. Det er ikke en færdig computer til almindelige opgaver.

Området er meget nyt, og praktiske muligheder, reproducerbarhed og begrænsninger undersøges stadig.

10 aktier med forbindelse til nye beregningsteknologier

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) spillede en vigtig rolle i kommercialiseringen af mainframe-computere. Virksomheden har en anden forretningsmodel end eksempelvis Apple (AAPL ), TSMC og NVIDIA (NVDA ). En simpel sammenligning af produktionsvolumen med TSMC eller NVIDIA er derfor misvisende.

IBM udvikler kvanteprocessorer og præsenterede blandt andet Eagle med 127 qubits og Osprey med 433 qubits.

Senere fulgte Condor med 1.121 superledende qubits samt Heron. Antallet af qubits alene afgør ikke systemets praktiske ydeevne.

IBM forsker også i andre beregningsteknologier, blandt andet ledende organiske materialer, neuromorfisk beregning, fotonik og beslægtede områder.

IBM har en omfattende patentportefølje, forskning og licensaktiviteter, men driver også betydelige software- og serviceforretninger.

Disse aktiviteter giver eksponering mod flere teknologier. De garanterer ikke, at IBM vil kontrollere alle fremtidige beregningsmetoder.

2. Microsoft Corporation

Microsoft (MSFT ) tilbyder kvantebaserede cloudtjenester gennem Azure Quantum.

Fjernadgang kan blive vigtig, fordi kvanteudstyr kræver specialiseret drift. Omfanget afhænger af teknologiens udvikling og brugernes behov.

Forskere inden for blandt andet kemi og materialer kan få adgang til sådanne ressourcer via cloudplatforme.

Specialiserede udbydere kan håndtere udstyret, mens brugerne stadig har behov for relevante algoritmer og faglig ekspertise.

Tjenesten understøtter hybride arbejdsgange med kvanteberegning og klassiske computerressourcer.

Kilde: Microsoft

Microsoft samarbejder med flere udbydere og forsker også selv i kvanteteknologi. Blandt de nævnte samarbejdspartnere er IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, Quantum Circuits, Inc. (QCI), som ikke er det børsnoterede Quantum Computing Inc. med symbolet QUBT, samt Rigetti (RGTI).

Kilde: Microsoft

Microsoft etablerede også i slutningen af 2023 et samarbejde med Photonic, et firma der arbejder på at kombinere kvanteberegning og fotonik.

Microsoft har også arbejdet på analoge fotoniske chips til finanssektoren.

Kvanteberegning udgør ikke hovedparten af Microsofts forretning. Aktien giver derfor en anden eksponering end en specialiseret kvantevirksomhed, men er ikke automatisk et sikkert investeringsvalg.

3. Alphabet Inc.

Google er meget aktiv inden for kvanteberegning, primært gennem sit Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Google rapporterede i 2019, at Sycamore udførte en bestemt samplingopgave på 200 sekunder. Googles anslag på 10.000 år for en klassisk supercomputer blev udfordret af IBM. Resultatet var opgavespecifikt og ikke et generelt mål for alle beregninger.

Google udvikler også softwareværktøjer, som hjælper forskere med kvantealgoritmer.

Google er også en investor i fotonikvirksomheder som Lightmatter.

Google kan påvirke software og værktøjer i feltet. Det betyder ikke, at selskabet nødvendigvis vil sætte alle standarder eller få en dominerende position i enhver ny beregningsteknologi.

4. Intel

Intel (INTC ) udvikler også kvanteteknologi med udgangspunkt i erfaring fra halvlederproduktion.

I 2023 præsenterede virksomheden forskningschippen Tunnel Falls med 12 silicium-spin-qubits. Intel rapporterede et waferudbytte på 95 %. Det gør ikke chippen til en færdig kommerciel kvantecomputer eller dokumenterer i sig selv storstilet fejltolerant drift.

Kilde: Intel

Trofast over for sine rødder udvikler Intel også software til at udnytte sine chips, med udgivelsen af Intel Quantum SDK. Værktøjerne understøtter udvikling og simulering af kvantealgoritmer. Fremtidig kommerciel succes er ikke sikret af Intels tidligere position i klassiske processorer.

Kilde: Intel

Skalerbar produktion kan sænke omkostningerne, men der kræves også fremskridt i fejlhåndtering, styring og systemintegration.

I slutningen af 2023 besluttede Intel at overdrage sin forretning med stikbare optiske transceivere til Jabil (JBL).

Aftalen omfattede denne konkrete forretning og betød ikke, at Intel opgav al siliciumfotonik. Intel fortsatte også forskning i kvanteberegning.

5. Nvidia

NVIDIA er en stor leverandør af grafikprocessorer og chips til AI. Virksomheden er vokset fra pc-komponenter til datacentre og andre beregningsområder.

Inden for kvanteberegning kombinerer NVIDIA DGX Quantum klassiske computerressourcer med integration til kvantesystemer gennem CUDA Quantum-platformen. GPUerne er ikke i sig selv kvanteprocessorer.

Kilde: Nvidia

Til AI-datacentre præsenterede NVIDIA også Quantum-X800-netværksplatformen. Trods navnet er det InfiniBand-netværksteknologi og ikke en kvantecomputer.

Inden for fotonik beskriver den citerede rapport, at NVIDIA samarbejder med TSMC og Broadcom om samling af optiske og elektroniske komponenter i samme kapsling, såkaldt co-packaged optics.

AI og datacentre er centrale for NVIDIA. Kvanteberegning og fotonik kan skabe muligheder, men fremtidig efterspørgsel og indtjening er usikker.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum er resultatet af fusionen mellem Honeywell Quantum Solutions og Cambridge Quantum (og, som nævnt, en partner af Microsofts kvante‑cloud‑computing).

Quantinuum lancerede i september 2023 en Quantum Monte Carlo Integration-motor (QMCI) til forskning i blandt andet finansielle og logistiske problemer.

QMCI undersøger kvantebaseret Monte Carlo-integration til blandt andet finansielle beregninger og andre numeriske problemer. De mulige fordele skal vurderes mod klassiske metoder.

Ligesom Microsoft er kvanteberegning ikke den centrale del af Honeywells forretning, som er mere centreret omkring produkter inden for luftfart, automation og specialkemikalier og materialer.

Flere af Honeywells forretningsområder kan muligvis anvende kvanteberegning, hvilket giver selskabet en strategisk interesse i feltet.

Honeywells ejerinteresse i Quantinuum giver eksponering mod teknologien, men garanterer ikke hurtigere kommerciel anvendelse end hos konkurrenterne.

7. Synopsys

Mange fotoniske systemer kombinerer optiske og elektroniske komponenter. Synopsys leverer værktøjer til denne fælles udvikling.

Virksomhedens software bruges til design og verifikation af integrerede kredsløb, herunder avancerede processer med betegnelser som 5 nm og mindre.

Virksomheden tilbyder også en sammenhængende arbejdsgang til design af fotoniske komponenter, systemer og kredsløb. Værktøjerne understøtter design og simulering af fotoniske komponenter.

Kilde: Synopsys

Synopsys og Juniper Networks etablerede desuden OpenLight, som arbejder med siliciumfotonik og integration af indiumfosfidbaserede komponenter.

8. Juniper Networks

Juniper markedsfører cloudbaserede netværksløsninger og AI-understøttet Wi-Fi, blandt andet Juniper Mist. Virksomhedens sammenligninger fremhæver skalerbarhed, fleksibilitet og registrering af afvigelser. Resultater afhænger af produkt, konfiguration og testforhold.

AI-systemet Marvis understøtter analyse og administration af netværk. Det er ikke en garanti for fejlfri drift på alle netværksniveauer.

Kilde: Juniper

Juniper leverer også firewalls og andre sikkerhedsløsninger. Påstande om bedre resultater end Fortinet (FTNT ), Palo Alto eller Zscaler kræver en konkret sammenligning og kan ikke generaliseres til alle produkter.

Virksomheden har desuden arbejdet med fotoniske integrerede kredsløb (PIC) og optisk kommunikation. Sådanne teknologier kan være relevante for fremtidige systemer, men er ikke i sig selv færdige fotoniske computere.

Kilde: Synopsys

9. Rigetti Computing, Inc.

Rigetti udvikler kvanteprocessorer og beskriver sin intellektuelle ejendom inden for flerchipprocessorer og hybride kvanteklassiske systemer. Det er virksomhedens egen beskrivelse, ikke dokumentation for overlegenhed over alle andre arkitekturer.

Virksomheden arbejder med flere led fra chipdesign og fremstilling til adgang til beregningsressourcer via cloudtjenester.

Kilde: Rigetti

Rigetti søger både at forbedre operationernes præcision og hastighed og at øge systemernes størrelse. Antallet af qubits alene afgør ikke ydeevnen.

I den daværende køreplan sigtede Rigetti mod Ankaa-3 med 84 qubits i andet halvår 2024 og et system med over 336 qubits på længere sigt. Der var tale om mål, ikke allerede leverede kapaciteter.

Kilde: Rigetti

I december 2023 begyndte Rigetti at tilbyde Novera-systemet med 9 qubits til en annonceret pris på 900.000 dollar og en oplyst leveringstid på fire til seks uger.

De første kunder omfattede Fermilabs SQMS Center, Air Force Research Laboratory og Horizon Quantum (HQ ) Computing.

I foråret 2024 meddelte selskabet, at det ville indgå i Russell 3000-indekset.

10. IPG Photonics

IPG fremstiller flere typer lasere, især fiberlasere. Artiklen citerer historiske tal på cirka 6.200 medarbejdere og over 42.000 leverede laserenheder om året; de bør ikke læses som aktuelle tal.

Visse modeller producerer femtosekundpulser. En femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel sekund, men betegnelsen betyder ikke, at hver laser producerer pulser på netop én femtosekund.

Anvendelserne omfatter:

• Avancerede videnskabelige anvendelser såsom spektroskopi, mikroskopi, interferometri og optisk indfangning.
• Fremstilling af batterier og elektriske motorer til el‑biler
• Materialebehandling, især skæring, gravering, rengøring og 3D-printning af metal.
• Laser‑mikrobehandling, hvor lasere fremstiller meget små strukturer.

Fotoniske beregningssystemer kræver fortsat udvikling. Lasere er allerede vigtige lyskilder i mange arkitekturer, ofte sammen med klassisk elektronik.

Stabile lyskilder kan skabe nye markeder for laserproducenter som IPG. Efterspørgslen afhænger dog af de valgte arkitekturer og gavner ikke automatisk alle leverandører.

Ultrakorte impulser kan bidrage til visse former for optisk signalbehandling. Pulsvarigheden alene bestemmer ikke hele computerens hastighed eller effektivitet.