Mit aktiven Substraten und neuromorphem Computing mit dem Mooreschen Gesetz Schritt halten

Neue Halbleiter erforderlich

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

Dieses Wachstum ist auf die zunehmende Komplexität und Miniaturisierung von Halbleitern zurückzuführen. Aufgrund der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Silizium stoßen siliziumbasierte Halbleiter jedoch zunehmend an ihre Grenzen.

Glücklicherweise ist Silizium bei weitem nicht das einzige Material, das Halbleitereigenschaften aufweist, d.

Neue Forschungsergebnisse offenbaren neue Einblicke in die grundlegende Physik innovativer Halbleitermaterialien wie Vanadiumdioxid und bisher ungeahnte Halbleitereigenschaften von Titandioxid.

Die Forschungsprojekte wurde im Rahmen eines multidisziplinären Forschungsprojekts von Forschern 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 durchgeführt.

Vanadium und Moores Gesetz

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

Dabei handelt es sich um ein Phänomen, das als „Metall-Isolator-Übergänge“ bezeichnet wird. Die Geschwindigkeit des Metall-Isolator-Übergangs sollte eine schnellere und kleinere Elektronik im Vergleich zur klassischen Elektronik auf Siliziumbasis ermöglichen.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn wir wollen, dass die Halbleiterindustrie mit dem Mooreschen Gesetz Schritt hält.

Das 1965 formulierte Mooresche Gesetz ist das empirische Gesetz, das besagt, dass die Halbleiterindustrie die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre um 100 % erhöht. Das ist seit Jahrzehnten so geblieben, aber die grundsätzlichen Einschränkungen bei Siliziumchips bedeuten, dass bald neue Arten von Materialien benötigt werden, um dies zu gewährleisten.

Das Mooresche Gesetz ist eine Anwendung des Wrightschen Gesetzes von 1936 auf die Halbleiterindustrie. Dieses besagt, dass sich die Herstellungskosten bei jeder Verdoppelung der Produktion um bis zu 15 % verringern (ursprünglich für die Luftfahrtindustrie entwickelt).

Beim Wrightschen Gesetz geht es eher um Skaleneffekte und industrielle Effizienz bei der Produktionssteigerung. Beim Mooreschen Gesetz geht es hingegen eher um technologische Innovationen und wird durch Fortschritte im Verständnis der Grundlagenphysik und der Nanometertechnik vorangetrieben.

Neue Erkenntnisse

Erweiterte Methoden

Bisher wurde Vanadiumdioxid nur als isolierter Bestandteil analysiert und beobachtet. Dies war zwar nützlich, schränkte jedoch das Verständnis dessen ein, was tatsächlich in einem auf Vanadiumdioxid basierenden Halbleiter passieren würde.

In ihrer Veröffentlichung in Advanced Materials ("Raumzeitliche In-Operando-Bildgebung der gekoppelten Film-Substrat-Elastodynamik während eines Isolator-zu-Metall-Übergangs“) machten die Forscher mehrere neue Entdeckungen.

Sie nutzten Röntgenbeugungsmikroskopie, um Veränderungen in Echtzeit und mit Präzision auf atomarer Ebene zu beobachten.

Und sie brachten das Vanadiumdioxid auf ein Titandioxidsubstrat auf, wie es bei einem echten Halbleiterchip der Fall wäre, anstatt es isoliert zu untersuchen.

Quelle: Fortgeschrittene Werkstoffe

Dies war ein gewaltiges Unterfangen, denn die Studie selbst dauerte mehr als zehn Jahre und umfasste viele Forschungsteams und einen multidisziplinären Ansatz.

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

Vanadium-Bewegungen

Die Forscher beobachteten erstmals, dass sich das Vanadiumdioxid beim Übergang in ein Metall nach oben ausbauchte. Dies widersprach den theoretischen Vorhersagen, die von einem Schrumpfen ausgingen.

Quelle: Fortgeschrittene Werkstoffe

Sie fanden heraus, dass ein bisher ungeahnter Effekt fehlender Sauerstoffatome für die Quellung des Materials verantwortlich war.

„Diese neutralen Sauerstoff-Leerstellen halten eine Ladung von zwei Elektronen, die sie freisetzen können, wenn das Material von einem Isolator zu einem Metall wechselt.“ Die zurückgebliebene Sauerstofflücke ist nun aufgeladen und schwillt an, was zu der beobachteten überraschenden Schwellung im Gerät führt.“

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Unerwartete Aktivität des Titansubstrats

Ein Quasi-Dogma in der Halbleiterfertigung ist, dass nur der dünne Film aus Halbleitermaterial auf der Oberseite des Substrats aktiv ist, wenn er einem Strom ausgesetzt wird. Das Substrat selbst ist ein elektrisch und mechanisch passives Material.

In dieser Studie stellten die Forscher fest, dass dies bei Vanadiumdioxid-Halbleitern nicht der Fall ist.

Stattdessen quillt auch das zuvor als inert angesehene Titandioxid auf, und zwar nach dem gleichen Mechanismus, bei dem Sauerstoffatome fehlen.

Darüber hinaus verhielt sich die oberste Schicht aus Titandioxid wie Vanadiumdioxid und wirkte somit auch wie ein Halbleiter.

Diese neue Entdeckung wird für den Bau von Prototypen kommerzieller Vanadiumdioxid-Halbleiter von entscheidender Bedeutung sein.

Anwendungen

Schnellere, bessere Halbleiter

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

• Der Insulator-To-Metal (IMT) erfolgt mit einer extremen Geschwindigkeit von einer Billionstelsekunde und ebnet den Weg für ultraschnelle Berechnungen.
• Vanadiumdioxid hat stark korrelierte elektronische Effekte. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass die Abstoßung zwischen Elektronen nicht ignoriert werden kann, wie dies derzeit in der Elektronik auf Siliziumbasis der Fall ist.
  • Dies wiederum eröffnet die Möglichkeiten neuartiger Funktionalitäten wie Hochtemperatursupraleitung und verbesserte magnetische Eigenschaften.

Neuromorphes Rechnen

Die Entdeckung des positiven Rückkopplungsprozesses aufgrund der Leerstellenionisierung durch die fehlenden Sauerstoffatome sollte die IMT-Zeit noch weiter verkürzen.

Dies hat sehr wichtige Konsequenzen, da Vanadiumdioxid dadurch möglicherweise das richtige Material für eine neue Art von Berechnung namens „ neuromorphes Rechnen.

Neuromorphic Computing ist eine Methode, bei der Computersysteme ihre Inspiration aus den Gehirnen lebender Systeme mit Neuronen ziehen.

Dies unterscheidet sich von den neuronalen Netzen, die derzeit von KI und LLMs verwendet werden und versuchen, Neuronen nachzuahmen, basieren jedoch immer noch auf klassischen Siliziumtransistoren und sind größtenteils softwarebasiertes maschinelles Lernen.

Neuromorphe Chips könnten also auf Hardwareebene lernen. Und statt einer binären Ausgabe (0 und 1) würden sie Signalspitzen erzeugen.

Quelle: Technisches Ziel

Dank seines sehr schnellen Isolator-zu-Metall-Übergangs könnte Vanadiumdioxid mit einem aktiven Substrat aus Titandioxid zur Herstellung verwendet werden Mott-Neuronen-ähnliche Spitzenoszillatoren in der Lage, biologische Neuronen auf Hardware-Ebene zu replizieren.

Übersicht

Vanadiumdioxid-Halbleiter, neuromorphes Computing und Mott-Neuronen-ähnliche Spitzenoszillatoren stehen an der Spitze der Materialwissenschaft und des Halbleiterdesigns, wahrscheinlich mindestens ein Jahrzehnt, bevor sie kommerziell nutzbar werden.

Genau in diesem Jahrzehnt ist damit zu rechnen, dass Silizium-basierte Halbleiter die Gültigkeit des Mooreschen Gesetzes nicht mehr aufrechterhalten können.

In Moores Gesetz findet sich keine Aussage darüber, dass Halbleiter zwingend auf Silizium basieren müssen. Es ist vielmehr eine empirische Beobachtung: Solange die Nachfrage nach leistungsfähigeren Chips besteht, lernen Forscher immer mehr über die Halbleiterphysik in immer kleinerem Maßstab.

Wenn man bedenkt, dass wir derzeit Vanadium- und Titandioxide in Echtzeit und auf atomarer Ebene untersuchen, ist es vernünftig anzunehmen, dass das Mooresche Gesetz gilt und Materialien wie Vanadium den nächsten Schritt in der Halbleiterentwicklung darstellen.

Und natürlich könnten auch andere innovative Computermethoden wie etwa die Photonik oder das Quantencomputing dazu beitragen, das Mooresche Gesetz auf Kurs zu halten.

Unternehmen für fortgeschrittene Halbleiter

1. Intel

Intel ist ein Gigant im Halbleitersektor und hat sich im Laufe der Jahre vom Gründer der Branche zu einem führenden Unternehmen in Wissenschaft und Innovation entwickelt. Dabei verlor das Unternehmen den Spitzenplatz beim Produktionsvolumen an Unternehmen wie das taiwanesische Unternehmen TSMC.

Intel ist führend im Bereich neuromorphes Computing, unter anderem durch Es ist der Loihi-2-Chip.

Quelle: Intel

Es schuf auch die Intel Neuromorphic Research Community, zu der auch die Pennsylvania State University gehört, die an dieser jüngsten Vanadiumdioxid-Forschung beteiligt ist, sowie über 75 weitere Forschungsgruppen.

Quelle: Intel

Intel ist auch sehr aktiv bei der Nachahmung biologischer Sinne, indem es die Funktionsweise unseres Gehirns nachahmt (selbst ein Zweig des neuromorphen Computings), etwas, das wir in unserem Artikel weiter besprochen haben.Biomimetische Riechchips: Sind künstliche Intelligenz und E-Nasen der nächste Kanarienvogel im Kohlebergwerk?"

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

2. IBM

Ein weiterer historischer Pionier in den Bereichen Computer, Halbleiter und Chipdesign. International Business Machines Corporation (IBM) untersucht auch neuromorphes Computing.

Es entwickelt sich auch SyNAPSE: Skalierbares energieeffizientes neurosynaptisches Computing, unterstützt von der Defense Advanced Research Programs Agency (DARPA), um „Nanowissenschaft, Neurowissenschaft und Supercomputing zu kombinieren, um die Fähigkeiten des Gehirns in Bezug auf Empfindung, Wahrnehmung, Handlung, Interaktion und Kognition zu simulieren und zu emulieren“.

Es steht gleichermaßen an der Spitze der Entwicklung von Quantencomputern. Beispielsweise entwickelte es seinen 127-Qubit-Quantencomputer „Eagle“, dem ein 433-Qubit-System namens „Osprey“ und der 1,121 supraleitende Qubit-Quantenprozessor „Condor“ folgten.

Quelle: Alles über Schaltungen

Zusammen mit Intel gehört IBM zu den Unternehmen, die sich am stärksten für neue Formen von Computertechnologien wie Quantencomputer und neuromorphes Computing einsetzen, und dürfte von den Fortschritten profitieren, die beim Verständnis der grundlegenden Atomphysik von Materialien wie Vanadiumdioxid erzielt wurden.