Προκαταρκτική Φεροηλεκτρικότητα – Τι είναι και πώς θα μπορούσε να αλλάξει την υπολογιστική;

Χαμηλής Ενέργειας Τρανζίστορ

Η υπολογιστική εκτελείται κυρίως από πυριτίου τρανζίστορ. Είναι το βασικό στοιχείο στα περισσότερα σημερινά υπολογιστικά συστήματα, αλλά καταναλώνουν επίσης πολύ ενέργεια κατά τη λειτουργία.

Ένας άλλος τύπος ημιαγωγικού στοιχείου είναι FET: τρανζίστορ πεδίου-επίδρασης. Αυτός ο τύπος τρανζίστορ χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικό πεδίο για να ελέγξει το ρεύμα μέσω ενός ημιαγωγού και καταναλώνει πολύ λιγότερη ισχύ από ένα τρανζίστορ πυριτίου. Προς το παρόν, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο τρανζίστορ πεδίου-επίδρασης είναι το MOSFET (μεταλλο-οξειδίου-ημιαγωγός τρανζίστορ πεδίου-επίδρασης).

Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Penn State και του Πανεπιστημίου του Minnesota εξερευνούν μια προηγουμένως παραβλεπόμενη ιδιότητα των FET: την προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα.

Η προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα είναι το χαρακτηριστικό της προσωρινής, διασκορπισμένης πόλωσης, σαν να έχει το υλικό τη δυνατότητα να γίνει φεροηλεκτρικό, αλλά χρειάζεται μια μικρή ώθηση.

Αυτό θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμο για νευρομορφική υπολογιστική, μια τεχνική που προσπαθεί να αντιγράψει τον τρόπο λειτουργίας του εγκεφάλου αντί να χρησιμοποιεί παραδοσιακές δυαδικές μεθόδους υπολογισμού. Μια τέτοια μέθοδος θα μπορούσε να αποθηκεύει δεδομένα με πολύ λιγότερη ενέργεια, καθώς και να αντιμετωπίζει σκληρές συνθήκες όπως το διάστημα.

Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Nature Communication, με τίτλο “Πολυλειτουργικά 2D FETs που εκμεταλλεύονται την προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα σε ελεύθερες νανομεμβράνες SrTiO3 σε υπο-περιβάλλοντες θερμοκρασίες”¹.

Τι είναι η Προκαταρκτική Φεροηλεκτρικότητα;

Η φεροηλεκτρικότητα είναι το χαρακτηριστικό ορισμένων υλικών που έχουν αυτόματη ηλεκτρική πόλωση η οποία μπορεί να αντιστραφεί με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.

Αυτό χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή φεροηλεκτρικών πυκνωτών μικρότερων σε φυσικό μέγεθος σε σύγκριση με τους διηλεκτρικούς πυκνωτές. Είναι επίσης μια φυσική ιδιότητα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή φεροηλεκτρικής μνήμης RAM για υπολογιστές και κάρτες RFID.

Η προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα είναι όταν το φεροηλεκτρικό χαρακτηριστικό εμφανίζεται μόνο σε συγκεκριμένες συνθήκες: μπορεί να διατηρήσει ένα ηλεκτρικό φορτίο αλλά χρειάζεται ορισμένες συνθήκες για να το επιτύχει.

Η προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα σημαίνει ότι δεν υπάρχει σταθερή φεροηλεκτρική τάξη σε θερμοκρασία δωματίου. Αντίθετα, υπάρχουν μικρά, διασκορπισμένα σμήνη πολικών περιοχών. Είναι μια πιο ευέλικτη δομή σε σύγκριση με τα παραδοσιακά φεροηλεκτρικά υλικά.

Dipanjan Sen – Υποψήφιος διδάκτορας στην επιστήμη μηχανικής και μηχανική

Συνήθως, αυτή η ιδιότητα θεωρείται περιορισμός για ένα υλικό, όχι πλεονέκτημα, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε σύντομη διατήρηση μνήμης από αυτά τα τρανζίστορ.

Αυτό συνέβη μέχρι που η ομάδα των ερευνητών διαπίστωσε ότι η προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα έγινε λιγότερο προκαταρκτική και πιο παραδοσιακή σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Χρήση της Προκαταρκτικής Φεροηλεκτρικότητας

Η πιο ευέλικτη φύση της προκαταρκτικής φεροηλεκτρικότητας θα ήταν πρόβλημα για τις παραδοσιακές μεθόδους υπολογισμού. Αλλά αυτό μπορεί να μετατραπεί σε πλεονέκτημα.

Σε κρυογενικές συνθήκες, αυτό το υλικό εμφάνισε παραδοσιακή συμπεριφορά παρόμοια με φεροηλεκτρική, κατάλληλη για εφαρμογές μνήμης. Αλλά σε θερμοκρασία δωματίου, αυτή η ιδιότητα συμπεριφέρθηκε διαφορετικά. Είχε αυτή τη φύση relaxor: μια πιο ακατάστατη, βραχυπρόσθετη απόκριση πόλωσης.

Saptarshi Das – Καθηγητής Μηχανικής στο Penn State.

Η προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία υπολογιστικών συστημάτων παρόμοιων με νευρώνες, που ονομάζονται νευρομορφικοί υπολογιστές.

Αυτά τα συστήματα μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο ο ανθρώπινος εγκέφαλος επεξεργάζεται πληροφορίες χρησιμοποιώντας νευρώνες και χρησιμοποιούν πολύ λιγότερη ενέργεια από τους παραδοσιακούς υπολογιστές. Όπως ο εγκέφαλός μας, εξοικονομούν ενέργεια χρησιμοποιώντας ισχύ μόνο όταν χρειάζεται, όπως το άναμμα και σβήσιμο ενός διακόπτη, αντί να παραμένουν ενεργά όλη τη διάρκεια όπως οι παραδοσιακοί υπολογιστές.

Για να αξιοποιηθεί αυτό σε χρήσιμες εφαρμογές, χρειάστηκε να κατασκευαστούν FETs με ενισχυμένες συμπεριφορές προκαταρκτικής φεροηλεκτρικότητας.

Προκαταρκτικά Φεροηλεκτρικά FETs

Στρόντιο Τιτανίου

Αυτή ήταν η αποστολή των ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Minnesota, που ανέπτυξαν τα FETs εναποθέτοντας ένα στρώμα ατόμων σε υπόστρωμα για να σχηματίσουν μια λεπτή μεμβράνη. Αυτές οι μεμβράνες, φτιαγμένες από στρόντιο τιτανίου (STO), συνδυάστηκαν στη συνέχεια με μολυβδενίου δισουλφίδιο, ένα δισδιάστατο υλικό.

Πηγή: Nature Communication

Κανονικά, το στρόντιο τιτανίου είναι συνήθως μη φεροηλεκτρικό, πράγμα που σημαίνει ότι δεν έχει μόνιμο ηλεκτρικό πεδίο.

Αλλά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, εμφανίζει συμπεριφορά παρόμοια με φεροηλεκτρική. Οι λεπτές μεμβράνες στρόντιου τιτανίου είναι επίσης υλικό περοβσκίτη.

Ήμασταν έκπληκτοι που είδαμε ότι αυτά τα γνωστά υλικά περοβσκίτη θα μπορούσαν να εμφανίσουν εξωτικές φεροηλεκτρικές ιδιότητες σε επίπεδο συσκευής.

Δεν ήταν κάτι που προβλέπαμε, αλλά μόλις ξεκινήσαμε την κατασκευή των συσκευών, παρατηρήσαμε συμπεριφορές που θα μπορούσαν πραγματικά να επαναπροσδιορίσουν την προχωρημένη ηλεκτρονική.

Τα υλικά περοβσκίτη έχουν έναν συγκεκριμένο τύπο κρυσταλλικής δομής, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλιακών πάνελ, αλλά μπορεί επίσης να είναι κλειδί στην ανάπτυξη φωτονικής υπολογιστικής.

FETs

Χρησιμοποιώντας τις λεπτές μεμβράνες στρόντιου τιτανίου, οι ερευνητές δημιούργησαν τρεις τεχνητούς νευρώνες και τους χρησιμοποίησαν για να εκτελέσουν ένα έργο ταξινόμησης χρησιμοποιώντας ένα πλέγμα εικόνων τριών κατά τρία εικονοστοιχείων, ως απόδειξη της έννοιας.

Πηγή: Nature Communication

Οι συσκευές μπόρεσαν να ταξινομήσουν κάθε εικόνα σε διαφορετικές κατηγορίες. Αυτή η μέθοδος μάθησης θα μπορούσε εν τέλει να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση και ταξινόμηση εικόνων ή την αναγνώριση προτύπων. Σημαντικό είναι ότι λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, μειώνοντας το κόστος ενέργειας.

Mayukh Das – Υποψήφιος διδάκτορας στην επιστήμη μηχανικής και μηχανική

Αυτοί οι τεχνητοί νευρώνες βασισμένοι σε FET, χρησιμοποιώντας την προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα χαμηλού κόστους, αποδοτικό σύστημα υπολογισμού που χρησιμοποιεί πολύ λιγότερη ενέργεια.

Αυτό εντάσσεται σε άλλες νέες εφαρμογές των FET για προχωρημένα συστήματα υπολογισμού, ιδιαίτερα το Φεροηλεκτρικό Υψηλής Κινητικότητας Ηλεκτρονικό Τρανζίστορ (FeHEMT) για συσκευές επικοινωνίας επόμενης γενιάς.

Μελλοντικές Εφαρμογές

Αυτή είναι ακόμη, προς το παρόν, μια πολύ πειραματική συσκευή, που εξερευνά τις δυνατότητες μιας νέας εφαρμογής για την προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα.

Πιθανότατα θα έχει την πιο σημαντική εφαρμογή σε εφαρμογές AI, καθώς τα LLM και άλλα συστήματα AI απαιτούν τεράστια μνήμη για την αποθήκευση όλων των απαιτούμενων δεδομένων, κάτι που είναι πολύ ενεργοβόρο.

Κάποιες βελτιώσεις στην αρχιτεκτονική νευρωνικών δικτύων και λογισμικό, όπως το DeepSeek, μπορούν να βοηθήσουν. Τελικά, θα χρειαστεί ένας νέος τύπος υλικού πιο κατάλληλος για τις απαιτήσεις του AI, ώστε η βιομηχανία AI να μην γίνει ένας από τους μεγαλύτερους καταναλωτές ενέργειας στον κόσμο.

Η τελειοποίηση αυτών των υλικών και η ενσωμάτωσή τους σε καθημερινές συσκευές όπως smartphones ή laptops θα πάρει χρόνο, οπότε υπάρχει πολύ περισσότερο να εξερευνήσουμε.

Επιπλέον, εξετάζουμε άλλα υλικά, όπως το βαρίο τιτάνιο, για να αποκαλύψουμε το δυναμικό τους. Οι ευκαιρίες για ανάπτυξη είναι τεράστιες, τόσο στα υλικά όσο και στις εφαρμογές συσκευών.

Dipanjan Sen – Υποψήφιος διδάκτορας στην επιστήμη μηχανικής και μηχανική

Εταιρείες Νευρομορφικής Υπολογιστικής

1. Intel

Η Intel (INTC ) είναι ένας γίγαντας στον τομέα των ημιαγωγών και έχει εξελιχθεί με τα χρόνια από ιδρυτή της βιομηχανίας σε ηγέτη της επιστήμης και της καινοτομίας, χάνοντας τη θέση κορυφαίας παραγωγής σε εταιρείες όπως η TSMC της Ταϊβάν.

Η Intel είναι ηγέτης στη νευρομορφική υπολογιστική, εν μέρει χάρη στο chip Loihi 2 της.

Πηγή: Intel

Δημιούργησε επίσης την Κοινότητα Έρευνας Νευρομορφικής Intel, η οποία περιλαμβάνει το Πανεπιστήμιο Pennsylvania State, συμμετέχει σε πρόσφατη έρευνα vanadium dioxide, καθώς και πάνω από 75 άλλες ερευνητικές ομάδες.

Πηγή: Intel

Η Intel είναι επίσης πολύ ενεργή στην μίμηση βιολογικής αίσθησης μέσω της αναπαραγωγής του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου μας (ο ίδιος ένας κλάδος της νευρομορφικής υπολογιστικής), κάτι που συζητήσαμε περαιτέρω στο άρθρο μας “Βιομιμητικά Οσφρητικά Chip: Είναι η Τεχνητή Νοημοσύνη και τα E-Noses το Επόμενο Καναρίνι σε Ορυχείο Άνθρακα;”

Συνολικά, η έρευνα από το Intel Lab βρίσκεται στην αιχμή της καινοτομίας ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένου του AI, της κβαντικής υπολογιστικής, της νευρομορφικής υπολογιστικής κ.λπ.

Συζητήσαμε τις προόδους της Intel στην κβαντική υπολογιστική στα άρθρα μας “Η Τρέχουσα Κατάσταση της Κβαντικής Υπολογιστικής” και τον Σεπτέμβριο 2024 “Μετοχή της Εβδομάδας: Intel (INTC)”.

2. IBM

Άλλος ιστορικός πρωτοπόρος στην υπολογιστική, τα ημιαγωγά και το σχεδιασμό chip, η International Business Machines Corporation (IBM) εξερευνά επίσης τη νευρομορφική υπολογιστική (IBM ).

Αναπτύσσει το SyNAPSE: Κλιμακώσιμη ενεργειακά αποδοτική νευροσυναπτική υπολογιστική, με την υποστήριξη του Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), για να συνδυάσει τη “νανοεπιστήμη, τη νευροεπιστήμη και την υπερυπολογιστική για την προσομοίωση και μίμηση των ικανοτήτων του εγκεφάλου για αίσθηση, αντίληψη, δράση, αλληλεπίδραση και γνωστική λειτουργία”.

Είναι επίσης στην αιχμή της ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών. Για παράδειγμα, ανέπτυξε τον κβαντικό υπολογιστή 127-κβιτ “Eagle”, ο οποίος ακολουθήθηκε από ένα σύστημα 433-κβιτ γνωστό ως “Osprey” και τον κβαντικό επεξεργαστή 1.121 υπεραγώγιμων κβιτ ‘Condor’.

Πηγή: All About Circuits

Μαζί με την Intel, η IBM είναι μεταξύ των εταιρειών που προωθούν πιο ενεργά νέες μορφές τεχνολογιών υπολογισμού, όπως η κβαντική και η νευρομορφική υπολογιστική. Είναι πιθανό να ωφεληθεί από την πρόοδο στην καλύτερη κατανόηση των υλικών που χρησιμοποιούνται σε νευρομορφικά τρανζίστορ.

Μελέτες που Αναφέρονται:

^{1. Sen, D., Ravichandran, H., Das, M. et al. Πολυλειτουργικά 2D FETs που εκμεταλλεύονται την προκαταρκτική φεροηλεκτρικότητα σε ελεύθερες νανομεμβράνες SrTiO3 σε υπο-περιβάλλοντες θερμοκρασίες. Nat Commun 15, 10739 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54231-z}