Nanotechnologie, die die Grenzen des Rechnens mit Geschwindigkeit und Effizienz erweitert

Fortschrittliche Computertechnologien machen große Fortschritte bei der Erreichung hoher Geschwindigkeit und niedrigen Stromverbrauchs.

Wesentliche Fortschritte in diesem Bereich umfassen neuartige Siliziumarchitekturen, die schichtbasierte Designs verwenden, um schnellere und kleinere Chips zu geringeren Kosten zu bauen. Gleichzeitig nutzt die Photonik-Computing Lichtwellen zur Datenverarbeitung und -speicherung. Da die Lichtgeschwindigkeit einfach unübertrefflich ist, kann dies hohe Geschwindigkeit und niedrige Latenz bieten.

Dann gibt es das biologische Computing, bei dem Informationen in biologischen Zellen codiert und gespeichert werden, angetrieben durch Fortschritte in der Nanobiotechnologie. Quantencomputing bietet ebenfalls ein erhebliches Potenzial, indem es komplexe Probleme schneller löst als heutige Computer, indem es Quantenüberlagerung, Verschränkung und Interferenz nutzt.

Darüber hinaus ahmt das neuromorphe Computing die neuronalen Systeme unseres Gehirns nach, um parallele Berechnungen durchzuführen; Cloud-Computing verlagert die Verarbeitung in entfernte oder virtuelle Standorte; und Edge-Computing verlagert die Verarbeitung von zentralen Einrichtungen näher zu den Endbenutzern.

All diese Entwicklungen in der Computertechnologie, die sich auf Werkzeuge und Systeme zur Verarbeitung, Speicherung und Kommunikation von Daten konzentrieren, haben zu beispiellosen Fortschritten in Bereichen wie künstlicher Intelligenz (KI) und Datenanalyse geführt.

Laufende Forschung in diesem Bereich hat zu kontinuierlicher und schneller Innovation in Computertechniken geführt, wobei Wissenschaftler jetzt noch tiefer gehen, um bessere, schnellere und effizientere Ergebnisse zu erzielen.

Durchbruch bei der Lasernanoskalen-Fabrikation in Silizium

Forscher der Bilkent-Universität, Türkei, haben kürzlich einen bedeutenden Durchbruch erzielt, indem sie eine Technik zur Herstellung von Nanostrukturen tief im Inneren von Siliziumwafern entwickelten. 

Die neue Methode ermöglicht die Nanofabrikation innerhalb von Silizium durch räumliche Lichtmodulation und Laserpulse und erzeugt fortschrittliche Nanostrukturen, die der Elektronik und Photonik zugutekommen werden.

Die Studie konzentrierte sich auf Silizium, die Grundlage von Elektronik, Photonik und Photovoltaik. Als Halbleiter liegt die elektrische Leitfähigkeit von Silizium zwischen der eines Isolators und eines reinen Leiters. Es ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste und besitzt sowohl metallische als auch nicht‑metallische Eigenschaften. Darüber hinaus machen Siliziums hervorragende elektrische Eigenschaften, einschließlich seiner relativ kleinen Bandlücke, zu einem wichtigen Material in der Halbleiterindustrie.

Allerdings war Silizium auf die Nanofabrikation an der Oberfläche beschränkt, aufgrund der Schwierigkeiten, die bestehende lithografische Techniken mit sich bringen. Aktuelle Methoden können entweder die Oberfläche des Wafers nicht durchdringen, ohne Veränderungen zu verursachen, oder sind durch die Auflösung der Laserlithografie eingeschränkt. Zusätzlich erlauben bestehende Techniken keine hochpräzise Modulation tief im Inneren des Wafers. 

Wenn Geräte direkt im Inneren dieses Materials ohne Veränderung der oberen oder unteren Oberfläche des Wafers hergestellt werden könnten, würde das einen neuen Standard setzen.

Natürlich bedeutet das, all diese Herausforderungen einer Fertigungsauflösung von mehr als 1 Mikron zu überwinden und gleichzeitig eine mehrdimensionale Nanoskalen‑Kontrolle im Inneren des Wafers zu erreichen. Ein solches Vorgehen wäre jedoch ein magischer Fortschritt, der neuartige 3D‑Nanophotonik‑Funktionalitäten ermöglicht und zu Metasurfaces in Si führt. 

Die jüngste Forschung nutzte räumlich modulierte Laserstrahlen und anisotropes Feedback von vorgeformten Untergrundstrukturen, um dies zu erreichen. Dies ermöglichte dem Team, eine kontrollierte Nanofabrikationsfähigkeit innerhalb von Si zu etablieren, indem Materie auf der Nanoskala manipuliert wurde. 

Um es zu verdeutlichen, hat das Bilkent-Team die Herausforderung komplexer optischer Effekte im Wafer und die inhärente Beugungsgrenze des Laserlichts angegangen, indem sie den einzigartigen Laserimpuls nutzten, der durch Modulation des Raums erzeugt wurde. Die räumlich modulierten Laserimpulse entsprechen einer Bessel‑Funktion.

Die optischen Streueffekte, die die präzise Energieabgabe behinderten, wurden dann durch die nicht‑diffraktierende Natur des speziellen Laserstrahls überwunden. Diese nicht‑diffraktierende Natur wird mit fortschrittlichen holografischen Projektionstechniken erzeugt, die eine präzise Lokalisierung der Energie ermöglichen. Dies führt zu ausreichend hohem Druck und Temperatur, um das Material in einem kleinen Volumen zu verändern. 

Laut Onur Tokel, Professor am Fachbereich Physik:

“Unser Ansatz basiert darauf, die Energie des Laserimpulses innerhalb eines Halbleitermaterials auf ein extrem kleines Volumen zu lokalisieren, sodass man emergente Feldverstärkungseffekte, analog zu denen in der Plasmonik, ausnutzen kann. Dies führt zu subwellenlängen- und mehrdimensionaler Kontrolle direkt im Material.”

Er fügte hinzu:

“Wir können nun nanophotonische Elemente, die in Silizium vergraben sind, wie Nanogitter mit hoher Beugungseffizienz und sogar spektraler Kontrolle, herstellen.”

Dies wurde gefolgt von einem emergenten Keimeffekt, bei dem Nano‑Hohlräume im Untergrund ein starkes Feldverstärkungsfeld in ihrer unmittelbaren Umgebung erzeugten. Sobald etabliert, erhält die resultierende Feldverstärkung sich selbst, was bedeutet, dass die Schaffung früherer Nanostrukturen die spätere Nanostrukturierung unterstützt.

Unterdessen bot die Nutzung der Laserpolarisation den Forschern zusätzliche Kontrolle über die Ausrichtung und Symmetrie von Nanostrukturen auf der Nanoskala, was die präzise Entwicklung verschiedener Nano‑Arrays ermöglicht.

“Durch die Nutzung des anisotropen Feedback‑Mechanismus im Laser‑Material‑Wechselwirkungssystem haben wir eine polarisation‑gesteuerte Nanolithografie in Silizium erreicht.”

– Der leitende Autor der Studie, Dr. Asgari Sabet 

Diese neue Fertigungsmethode hat Feature‑Größen von bis zu 100 nm erreicht, was eine große Verbesserung gegenüber den konventionellen Regimen darstellt. 

Diese Studie könnte erhebliche Auswirkungen auf Systeme im Nanomaßstab mit spezifischen Strukturen haben, indem sie großflächige volumetrische Nanostrukturierung mit mehrdimensionaler Kontrolle und Merkmalen jenseits der Beugungsgrenze demonstriert. Laut den Forschern könnten zukünftige Fortschritte aus dieser Studie Metamaterialien, Metasurfaces, Informationsverarbeitungsanwendungen und photonische Kristalle umfassen.

Die Forschung zeigt zudem ein erhebliches Potenzial für die Integration mit On‑Chip‑Systemen, wobei die eingeführte Nanogitter‑Fähigkeit ein Schritt in Richtung dieses Ziels ist. Die Studie stellt fest, dass es sich auch um die erste mehrschichtige Si‑Photonik handelt.

Insgesamt hat die Studie ein „neues Fertigungsparadigma für Silizium“ vorgestellt. Die Fähigkeit, im Nanomaßstab direkt in Silizium zu fertigen, eröffnet ein neues Regime für weitere Integration und fortschrittliche Photonik“, sagte Prof. Tokel. Der nächste Schritt der Studie besteht darin zu untersuchen, ob eine vollständige 3D‑Nanofabrikation in Si erreicht werden kann. 

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Nanomaterialien ebnen den Weg für die nächste Generation des Rechnens

Wie oben gezeigt, zielen Forscher auf Nanostrukturen ab, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Nanotechnologie dreht sich darum, Materie im Nanomaßstab zu kontrollieren, von 1 bis 100 Nanometern Größe. 

Auf solch winziger Skala können wir einzigartige Eigenschaften und Verhaltensweisen von Materialien erleben, was Forschern und Ingenieuren ermöglicht, sie für verschiedene Anwendungen zu manipulieren. Infolgedessen hat die Nanotechnologie weitreichende Auswirkungen auf viele Branchen, darunter Energie, Elektronik, Medizin und Materialwissenschaft.

Mit großem Potenzial, einige der drängendsten Herausforderungen der Welt zu adressieren, entwickelt sich die Nanotechnologie rasch weiter mit kontinuierlichen Fortschritten und Durchbrüchen, insbesondere im Bereich Computing und Elektronik. Nanotechnologie hat tatsächlich wesentlich zu bedeutenden Fortschritten in diesen Sektoren beigetragen, die zu schnelleren, kleineren und tragbareren Systemen geführt haben.

Zum Beispiel haben Nanomaterialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren das Potenzial, flexible und transparente Elektronik zu schaffen.

Nanostrukturen haben die Bereiche Halbleiter und Computing transformiert, indem sie die elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften von Materialien über ihre Bulk‑Gegenstücke hinaus verbessern.

In diesem Kontext werden Fortschritte im Quantencomputing und in der Kommunikation mittels nanoskaliger Quantenbits erzielt. Darüber hinaus arbeitet die Forschung weiter an Nanomaterialien für Hochkapazitäts‑, Schnelllade‑Batterien und Superkondensatoren. Gleichzeitig ermöglichen Fortschritte in nanoskaligen Fertigungstechniken die Schaffung miniaturisierter Geräte und Komponenten mit hoher Leistungsfähigkeit.

Durch die Ermöglichung der Entwicklung kleinerer und effizienterer Geräte wie nanoskaliger Transistoren und Speicherchips hat die Nanotechnologie die Rechenleistung und Speicherkapazität enorm gesteigert, wodurch die Grenzen von Moores Gesetz verschoben werden.

Das hier erwähnte Moores Gesetz wurde von Intel (INTC ) -Mitbegründer Gordon Moore formuliert, der postulierte, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem einzelnen Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, bei minimalen Kostensteigerungen.

Wenn wir das betrachten, begannen in den 1950er‑Jahren die Transistoren erstmals die Vakuumröhren als Schlüsselkomponente elektronischer Schaltungen zu ersetzen. Während die ersten Transistoren typischerweise einen Zentimeter lang waren, wurden sie bald in Millimeter gemessen.

Schneller Vorlauf zum Beginn dieses Jahrhunderts, wurde die Größe auf 130 bis 250 Nanometer reduziert, um dann vor etwa einem Jahrzehnt auf lediglich 14 Nanometer zu schrumpfen. Dann, im Jahr 2015, halbierte IBM diese Größe, indem es den ersten Sieben‑Nanometer‑Transistor schuf. Diese Reise zu kleineren, aber besseren und schnelleren Transistoren setzt sich bis heute fort.

In den letzten Jahren wurde die kleinste in Produktion befindliche Transistorgröße auf 3 nm reduziert, wobei IBM im Mai 2021 einen 2‑nm‑Transistor ankündigte, der kleiner ist als ein DNA‑Strang. Wir konzentrieren uns auf Transistoren, weil sie grundlegend für die Stromversorgung fast jedes elektronischen Geräts sind.

Interessanterweise verbrauchen kleinere Transistoren weniger Energie und werden schneller. Viele glauben jedoch, dass man etwas nur bis zu einem gewissen Punkt verkleinern kann und schließlich das weitere Schrumpfen nicht mehr möglich sein wird. Genau dann werden neue Nanomaterialien und fortschrittliche Technologien benötigt, um unsere Geräte zu verbessern.

Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, den Fokus auf Technologien wie neuromorphe Systeme zu verlagern, die die Entwicklung neuer künstlicher Neuronen und Synapsen erfordern, die die Leistung herkömmlicher CMOS‑Schaltungen (Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor) übertreffen können.

Durch den Einsatz künstlicher Neuronen und Synapsen simulieren diese Computer, wie das menschliche Gehirn Informationen verarbeitet. Dies ermöglicht ihnen, Muster zu erkennen, Probleme zu lösen und Entscheidungen effizienter und schneller zu treffen als aktuelle Computer. Obwohl dieses Feld noch neu ist, zeigt es vielversprechende Ansätze im kognitiven Computing, autonomen Fahrzeugen und KI, wo Geschwindigkeit und Effizienz wichtig sind.

Forscher untersuchen zudem neue Materialklassen, wie Quantenpunkte und Graphen, um den Anforderungen des fortschrittlichen Rechnens gerecht zu werden. Aktuelle Studien haben Quantum‑Dot‑Cellular‑Automata (QCA) untersucht, um nanoskalige Computer mit Verbesserungen sowohl in Geschwindigkeit als auch Effizienz zu entwerfen.

Neben Graphen werden 2D‑Materialien wie Übergangs‑Metall‑Dichalcogenide (2D‑TMDs) für den Einsatz in Halbleitern in Betracht gezogen. Die große Oberfläche dieses Materials ermöglicht eine effiziente Lichtinteraktion und verbessert seine Eignung zur Lichtmanipulation, während seine ungewöhnliche Ladungsträger‑Mobilität die Geräteleistung steigert. Seine Haltbarkeit macht es robust für verschiedene reale Anwendungen.

Wie oben erwähnt, zielt die neueste Forschung, die Nanofabrikation in Silizium ermöglicht, darauf ab, die nächste Generation siliziumbasierter Chips mit deutlich höherer Rechenleistung zu ermöglichen.

Klicken Sie hier für eine Liste der führenden Unternehmen, die daran arbeiten, das Feld der Nanotechnologie voranzutreiben.

Unternehmen, die an fortschrittlicher Computertechnologie arbeiten

Betrachten wir Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind, liefert Applied Materials (AMAT ) (AMAT) Nanomanufacturing‑Technologie für fortschrittliche Halbleiter. Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) entwickelt Hochleistungs‑Computing‑Hardware und erforscht fortschrittliche Computing‑Technologien.

NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), bekannt für seine GPUs, ist ebenfalls stark in die Quantencomputing‑Forschung investiert. Nvidia‑Supercomputer werden eingesetzt, um Quanten‑Annealing‑Systeme zu entwickeln, die spezifische Probleme lösen. NVIDIA, oft als ‘AI‑Liebling’ bezeichnet, hat seine Aktien im laufenden Jahr (YTD) um 157 % steigen sehen.

Das Unternehmen verzeichnete im 1. Quartal 2024 Rekordumsätze von 26 Mrd. $, ein Anstieg von 18 % gegenüber dem Vorquartal und 262 % gegenüber dem Vorjahr. Das Unternehmen kündigte zudem am 7. Juni 2024 einen Zehn‑zu‑Eins‑Aktien‑Split an und erhöhte seine vierteljährliche Bardividende auf 0,01 $.

Betrachten wir nun die Unternehmen, die die Forschung in fortschrittlicher Computertechnologie, Nanotechnologie und Innovationen im Chip‑Design vorantreiben.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ist ein bekanntes Technologieunternehmen, das in Cloud‑ und KI‑Möglichkeiten aktiv ist. Sein Fokus liegt auf der Forschung im Quantencomputing und der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie.

Im vergangenen Jahr stellte das Unternehmen seinen neuesten Quantenprozessor der Generation IBM Heron vor, der 133 Festfrequenz‑Qubits besitzt und eine drei‑ bis fünf‑fache Verbesserung der Geräteleistung bietet.

Laut Jay Gambetta, Vizepräsident bei IBM Quantum:

“Die volle Leistungsfähigkeit des Quantencomputings wird durch generative KI angetrieben, um die Entwicklererfahrung zu vereinfachen.”

Das Unternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 180,57 Mrd. $, und seine Aktien werden zu 195,51 $ gehandelt, ein Anstieg von 19,86 % im laufenden Jahr. Die Dividendenrendite beträgt 3,41 %. Für das 2. Quartal 2024 meldete IBM einen Umsatz von 15,8 Mrd. $, ein Anstieg von 2 % gegenüber dem Vorjahr.

Der freie Cashflow lag zwischenzeitlich bei 2,6 Mrd. $, den das Unternehmen auf 12 Mrd. $ für die Jahresprognose anhob, wobei 1,5 Mrd. $ während des Zeitraums an die Aktionäre als Dividenden zurückgeführt wurden. Das Unternehmen beendete das Quartal mit 16 Mrd. $ in bar, eingeschränktem Bargeld und marktfähigen Wertpapieren. Während IBM seine Expertise im Unternehmens‑KI betont und sein generatives KI‑Geschäft seit dem Start von Watsonx vor einem Jahr auf über 2 Mrd. $ gewachsen ist, sagte IBM‑CEO Arvind Krishna:

“Wir hatten ein starkes zweites Quartal, das unsere Erwartungen übertroffen hat.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) entwickelt Chipdesigns weiter und erforscht neuromorphe und Quantencomputing. Dieser Halbleiter‑Chip‑Hersteller ist der Erfinder der x86‑Serie von Mikroprozessoren, die in den meisten Personal Computern zu finden sind. Das Unternehmen arbeitet derzeit daran, seine Führungsposition in der globalen Chipproduktion zurückzugewinnen, wofür es Fördermittel und Darlehen der US‑Regierung erhalten hat.

Durch neuromorphe Forschung will Intel die Zukunft adaptiver KI beschleunigen, indem optimierte Hardware gemeinsam mit der nächsten Generation KI‑Software co‑designt wird. Zusätzlich hat Intel die Intel Neuromorphic Research Community (INRC) gegründet. Diese globale Zusammenarbeit vereint Teams von Forschungseinrichtungen, akademischen Gruppen, Unternehmen und Regierungs‑Labs, um die Grenze der gehirninspirierten KI voranzutreiben.

Das Unternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 89,56 Mrd. $, und seine Aktien werden zu 21,06 $ gehandelt, ein Rückgang von 58,23 % im laufenden Jahr. Für das 2. Quartal 2024 meldete Intel „enttäuschende“ Finanzergebnisse, wobei der Umsatz bei 12,8 Mrd. $ lag, ein Rückgang von 1 % gegenüber dem Vorjahr, während das nicht‑GAAP‑Ergebnis je Aktie 0,02 $ betrug. Das Unternehmen kündigte an, ab dem vierten Quartal 2024 die Dividende auszusetzen, während es sein „langfristiges Engagement für eine wettbewerbsfähige Dividende beibehält, sobald die Cashflows auf nachhaltig höhere Niveaus steigen.“

Fazit

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 den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Computertechnologie die Leistung und Funktionalität der Geräte, die wir regelmäßig nutzen, erheblich verbessert und damit das Wachstum der digitalen Wirtschaft beflügelt.

Angesichts seiner tiefgreifenden Auswirkungen auf die Gesellschaft ist fortgesetzte Forschung und Entwicklung unerlässlich, um den Anforderungen energieintensiver Berechnungen gerecht zu werden und den Weg für fortschrittliches Computing zu ebnen, das die Schaffung von Produkten und Dienstleistungen ermöglicht, die zuvor unvorstellbar waren. Klicken Sie hier für eine Liste der besten Nanotechnologie‑Aktien.