Mit Moore’s Gesetz Schritt halten mit aktiven Substraten und neuromorphem Computing

Neue Halbleiter benötigt

Die Halbleiterindustrie hat in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich an Bedeutung gewonnen und ist von industriellen Großrechnern zu einem unverzichtbaren Bestandteil praktisch jeder Maschine und jedes Geräts heute geworden.

Dieses Wachstum wurde durch die zunehmende Komplexität und Miniaturisierung von Halbleitern vorangetrieben. Aufgrund der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Silizium stoßen jedoch siliziumbasierte Halbleiter an gewisse Grenzen.

Glücklicherweise ist Silizium bei weitem nicht das einzige Material, das Halbleitereigenschaften aufweist, also die Fähigkeit, zwischen einem Zustand als Isolator (der keinen Strom fließen lässt) und einem Leiter (der Strom fließen lässt) zu wechseln.

Neue Forschungen liefern neue Einblicke in die fundamentale Physik innovativer Halbleitermaterialien wie Vanadiumdioxid und zuvor unerkannte Halbleitereigenschaften von Titandioxid.

Die Forschung wurde von einem interdisziplinären Forschungsteam durchgeführt, das aus Wissenschaftlern der Pennsylvania State University, der Cornell University, des Argonne National Laboratory, des Georgia Institute of Technology und des deutschen Paul‑Drude‑Instituts für Festkörperelektronik in Berlin besteht.

Vanadium & Moores Gesetz

Was Vanadiumdioxid zu einem Spitzenkandidaten für neue Halbleitertechnologien macht, ist die Fähigkeit von Vanadium, in nur einem Billionstel einer Sekunde zwischen Metall – dem „1“-Zustand – und Isolator – dem „0“-Zustand – zu wechseln.

Dies ist ein Phänomen, das als „Metall‑Isolator‑Übergänge“ bezeichnet wird. Die Geschwindigkeit des Metall‑Isolator‑Übergangs sollte im Vergleich zu klassischen siliziumbasierten Elektronikkomponenten schnellere und kleinere Bauteile ermöglichen.

Dies ist entscheidend, wenn wir wollen, dass die Halbleiterindustrie mit Moores Gesetz Schritt hält.

Formuliert im Jahr 1965 ist Moores Gesetz das empirische Gesetz, dass die Halbleiterindustrie die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre um 100 % erhöht. Dieses Prinzip hat sich über Jahrzehnte bewährt, doch die grundsätzlichen Grenzen von Siliziumchips bedeuten, dass bald neue Materialtypen nötig sein werden, um dies aufrechtzuerhalten.

Moores Gesetz ist eine Anwendung des 1936 von Wright formulierten Wright‑Gesetzes auf die Halbleiterindustrie, das besagt, dass die Herstellungskosten um bis zu 15 % sinken, wenn die Produktionsmenge verdoppelt wird (ursprünglich für die Luftfahrt entwickelt).

Das Wright‑Gesetz beschreibt eher die Wirtschaftlichkeit von Skaleneffekten und industrieller Effizienz beim Hochfahren der Produktion. Moores Gesetz hingegen fokussiert sich stärker auf technologische Innovationen und wird durch Fortschritte im Verständnis der fundamentalen Physik und der Nanometer‑Engineering vorangetrieben.

Neue Erkenntnisse

Fortgeschrittene Methoden

Bisher wurde Vanadiumdioxid nur als isolierte Komponente analysiert und beobachtet. Obwohl das nützlich war, begrenzte es das Verständnis dessen, was tatsächlich in einem Halbleiter passieren würde, der auf Vanadiumdioxid basiert.

In ihrer Veröffentlichung in *Advanced Materials* („In‑Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film‑Substrate Elastodynamics During an Insulator‑to‑Metal Transition“) machten die Forscher mehrere neue Entdeckungen.

Sie nutzten Röntgendiffraktions‑Mikroskopie, um Änderungen in Echtzeit und mit atomarer Präzision zu beobachten.

Und sie applizierten das Vanadiumdioxid auf einem Titandioxid‑Substrat, so wie es in einem echten Halbleiterchip der Fall wäre, anstatt es isoliert zu untersuchen.

Quelle: Advanced Materials

Dies war ein massives Unterfangen, das mehr als zehn Jahre Forschungszeit in Anspruch nahm und zahlreiche Forschungsteams sowie einen interdisziplinären Ansatz erforderte.

„Indem wir diese Experten zusammenbrachten und unser Verständnis des Problems bündelten, konnten wir weit über unseren individuellen Fachbereich hinausgehen und etwas Neues entdecken.“ – Roman Engel‑Herbert, Direktor des Paul‑Drude‑Instituts für Festkörperelektronik in Berlin

Vanadium‑Bewegungen

Die Forscher beobachteten zum ersten Mal, dass das Vanadiumdioxid beim Übergang zu einem Metall nach oben wölbte. Dies stand im Gegensatz zu theoretischen Vorhersagen, die von einer Schrumpfung ausgingen.

Quelle: Advanced Materials

Sie entdeckten, dass ein zuvor unerkannter Effekt fehlender Sauerstoffatome für das Aufquellen des Materials verantwortlich war.

„Diese neutralen Sauerstoff‑Löcher tragen eine Ladung von zwei Elektronen, die sie freisetzen können, wenn das Material vom Isolator zum Metall wechselt. Das zurückbleibende Sauerstoff‑Loch ist nun geladen und quillt auf, was das überraschende Aufquellen im Bauteil erklärt.“

Prof. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Unerwartete Aktivität des Titan‑Substrats

Ein quasi‑Dogma in der Halbleiterfertigung besagt, dass nur die Dünnschicht des Halbleitermaterials auf dem Substrat aktiv ist, wenn Strom angelegt wird. Das Substrat selbst gilt als elektrisch und mechanisch passiv.

In dieser Studie entdeckten die Forscher, dass dies für Vanadiumdioxid‑Halbleiter nicht zutrifft.

Stattdessen quillt das zuvor als inert angenommene Titandioxid ebenfalls, und zwar durch denselben Mechanismus, der fehlende Sauerstoffatome einbezieht.

Zusätzlich verhielt sich die obere Schicht des Titandioxids wie Vanadiumdioxid und agierte ebenfalls wie ein Halbleiter.

Diese neue Entdeckung wird entscheidend sein, um Prototypen kommerzieller Vanadiumdioxid‑Halbleiter zu bauen.

Anwendungen

Schnellere, bessere Halbleiter

Vanadiumdioxid gilt als ein sehr vielversprechendes Material, um die Halbleitertechnologie auf die nächste Stufe zu heben, dank einiger grundlegender Eigenschaften:

• Der Isolator‑zu‑Metall‑Übergang (IMT) erfolgt mit einer extremen Geschwindigkeit von einem Billionstel einer Sekunde und eröffnet damit die Möglichkeit ultra‑schneller Berechnungen.
• Vanadiumdioxid weist stark korrelierte elektronische Effekte auf. Einfach ausgedrückt bedeutet das, dass die Abstoßung zwischen Elektronen nicht ignoriert werden kann, wie es derzeit in siliziumbasierten Elektroniksystemen üblich ist.
  • Dies eröffnet wiederum die Möglichkeit neuartiger Funktionalitäten wie Hochtemperatur‑Supraleitung und verbesserte magnetische Eigenschaften.

Neuromorphes Computing

Die Entdeckung des positiven Rückkopplungsprozesses durch Vakuum‑Ionisation der fehlenden Sauerstoffatome sollte die IMT‑Zeit noch weiter reduzieren.

Das hat sehr wichtige Konsequenzen, da es Vanadiumdioxid potenziell zum richtigen Material für eine neue Art von Berechnung macht, die neuromorphes Computing genannt wird.

Neuromorphes Computing ist ein Ansatz, bei dem Computersysteme von den Gehirnen lebender Organismen mit Neuronen inspiriert werden.

Dies unterscheidet sich von den neuronalen Netzen, die derzeit von KI und LLMs verwendet werden und versuchen, Neuronen zu imitieren, aber weiterhin auf klassischen Silizium‑Transistoren basieren und größtenteils softwarebasierte maschinelle Lernverfahren darstellen.

Daher könnten neuromorphe Chips auf Hardware‑Ebene lernen. Und anstelle einer binären Ausgabe (0 und 1) würden sie Signal‑Spikes erzeugen.

Quelle: Tech Target

Dank seines sehr schnellen Isolator‑zu‑Metall‑Übergangs könnte Vanadiumdioxid mit einem aktiven Titandioxid‑Substrat verwendet werden, um Mott‑neuron‑ähnliche Spike‑Oszillatoren zu erzeugen, die biologische Neuronen auf Hardware‑Ebene nachbilden können.

Übersicht

Vanadiumdioxid‑Halbleiter, neuromorphes Computing und Mott‑neuron‑ähnliche Spike‑Oszillatoren stehen an der absoluten Grenze der Materialwissenschaft und des Halbleiterdesigns und werden voraussichtlich erst in etwa einem Jahrzehnt die kommerzielle Marktreife erreichen.

Dieser Jahrzehnt‑Zeitrahmen ist genau dann zu erwarten, wenn siliziumbasierte Halbleiter beginnen, das Moores‑Gesetz nicht mehr zu erfüllen.

Im Moores‑Gesetz steht nichts darüber, dass Halbleiter siliziumbasiert sein müssen. Es ist vielmehr eine empirische Beobachtung, dass solange die Nachfrage nach leistungsfähigeren Chips steigt, Forscher immer mehr über die Halbleiterphysik auf immer kleineren Skalen lernen.

Da wir nun Vanadium‑ und Titandioxide in Echtzeit und auf atomarer Ebene untersuchen, erscheint es plausibel, dass das Moores‑Gesetz weiterhin gilt und Materialien wie Vanadium der nächste Schritt im Halbleiterdesign sein werden.

Und natürlich könnten auch andere innovative Rechenansätze, wie Photonik oder Quantencomputing, dazu beitragen, das Moores‑Gesetz auf Kurs zu halten.

Fortschrittliche Halbleiterunternehmen

1. Intel

Intel ist ein Gigant im Halbleitersektor und hat sich im Laufe der Jahre von einem Gründer der Branche zu einem wissenschaftlichen und innovationsführenden Unternehmen entwickelt, wobei das Unternehmen im Fertigungsvolumen hinter Firmen wie Taiwans TSMC zurückgefallen ist.

Intel ist ein Vorreiter im neuromorphen Computing, unter anderem durch seinen Loihi‑2‑Chip.

Quelle: Intel

Intel hat zudem die Intel Neuromorphic Research Community ins Leben gerufen, zu der die Pennsylvania State University, die an der jüngsten Vanadiumdioxid‑Forschung beteiligt war, sowie über 75 weitere Forschungsgruppen gehören.

Quelle: Intel

Intel ist zudem sehr aktiv darin, biologische Sinneswahrnehmungen zu imitieren, indem es die Funktionsweise unseres Gehirns nachbildet (ein Teilbereich des neuromorphen Computings), worüber wir in unserem Artikel „Biomimetische Olfaktorische Chips: Sind Künstliche Intelligenz und E‑Nasen das nächste Kanarienvogel im Kohlebergwerk?“ weiter berichten.

Insgesamt steht die Forschung des Intel Lab an vorderster Front der Halbleiterinnovation, einschließlich KI, Quantencomputing, neuromorphem Computing usw. (wir diskutieren Intels Fortschritte im Quantencomputing in unserem Artikel „Der aktuelle Stand des Quantencomputings“).

2. IBM

Ein weiterer historischer Pionier in den Bereichen Computing, Halbleiter und Chip‑Design, International Business Machines Corporation (IBM) untersucht ebenfalls neuromorphes Computing.

IBM entwickelt zudem SyNAPSE: Skalierbares, energieeffizientes neurosynaptisches Computing, unterstützt von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), um „Nanowissenschaft, Neurowissenschaften und Supercomputing zu kombinieren, um die Fähigkeiten des Gehirns für Wahrnehmung, Aktion, Interaktion und Kognition zu simulieren und nachzubilden“.

IBM steht ebenfalls an der Spitze der Entwicklung von Quantencomputern. So entwickelte das Unternehmen seinen 127‑Qubit‑„Eagle“-Quantencomputer, gefolgt von einem 433‑Qubit‑System namens „Osprey“ und dem 1.121‑Qubit‑supraleitenden Quantenprozessor „Condor“.

Quelle: All About Circuits

Gemeinsam mit Intel gehört IBM zu den Unternehmen, die am aggressivsten neue Formen von Computertechnologien vorantreiben, wie Quanten‑ und neuromorphes Computing, und dürfte von den Fortschritten beim Verständnis der fundamentalen atomaren Physik von Materialien wie Vanadiumdioxid profitieren.