Διατηρώντας τον Ρυθμό του Νόμου του Moore με Ενεργά Υποστρώματα και Νευρομορφική Υπολογιστική

Απαιτούνται Νέα Ημιαγωγικά

The semiconductor industry has constantly grown in importance over the last few decades, moving from industrial mainframe computers to an essential part of virtually every machine and device today.

Αυτή η ανάπτυξη έχει προωθηθεί από την αυξανόμενη πολυπλοκότητα και την ελαχιστοποίηση των ημιαγωγών. Ωστόσο, λόγω των θεμελιωδών φυσικών ιδιοτήτων του πυριτίου, τα ημιαγωγικά βασισμένα σε πυρίτιο αρχίζουν να φθάνουν σε ορισμένα όρια.

Ευτυχώς, το πυρίτιο δεν είναι καθόλου το μοναδικό υλικό που εμφανίζει ημιαγωγικές ιδιότητες, δηλαδή την ικανότητα να μεταβαίνει από κατάσταση όπου λειτουργεί ως μονωτής (δεν επιτρέπει τη ροή του ρεύματος) σε αγωγό (επιτρέπει τη ροή του ρεύματος).

Νέα έρευνα αποκαλύπτει νέες γνώσεις για τη θεμελιώδη φυσική καινοτόμων ημιαγωγικών υλικών όπως το βανάδιο διοξείδιο και τις προηγουμένως αθέατες ημιαγωγικές ιδιότητες του τιτανίου διοξειδίου.

Η έρευνα διεξήχθη από μια διεπιστημονική ερευνητική προσπάθεια που πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας, του Πανεπιστημίου Cornell, του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne, του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Γεωργίας και του Γερμανικού Ινστιτούτου Paul Drude Solid State Electronics στο Βερολίνο.

Βανάδιο & Νόμος του Moore

Αυτό που κάνει το βανάδιο διοξείδιο κορυφαίο υποψήφιο για νέα τεχνολογία ημιαγωγών είναι η ικανότητα του βανάδιου να εναλλάσσεται μεταξύ μετάλλου — της κατάστασης «1» — και μονωτή — της κατάστασης «0» — σε μόλις τρισεκατομμυριοστή του δευτερολέπτου.

Αυτό είναι ένα φαινόμενο γνωστό ως «υποβολή μεταβάσεων μετάλλου-μονωτή». Η ταχύτητα της μετάβασης μετάλλου-μονωτή θα πρέπει να επιτρέψει ταχύτερα και μικρότερα ηλεκτρονικά σε σύγκριση με τα κλασικά ηλεκτρονικά βασισμένα σε πυρίτιο.

Αυτό είναι ουσιώδες αν θέλουμε η βιομηχανία ημιαγωγών να συμβαδίζει με τον Νόμο του Moore.

Διατυπωμένος το 1965, ο Νόμος του Moore είναι ο εμπειρικός νόμος που η βιομηχανία ημιαγωγών αυξάνει τον αριθμό των τρανζίστορ σε ένα τσιπ κατά 100% κάθε δύο χρόνια. Αυτό παραμένει αληθές για δεκαετίες, αλλά τα θεμελιώδη όρια των πυριτιδικών τσιπ σημαίνουν ότι σύντομα θα χρειαστούν νέοι τύποι υλικών για να διατηρηθεί.

Ο νόμος του Moore είναι μια εφαρμογή στη βιομηχανία ημιαγωγών του νόμου του Wright του 1936, ο οποίος δηλώνει ότι το κόστος παραγωγής θα μειώνεται έως και 15% για κάθε διπλασιασμό της παραγωγής (αρχικά αναπτύχθηκε για τη βιομηχανία αεροναυπηγικής).

Ο νόμος του Wright είναι περισσότερο ένας κανόνας για την οικονομία κλίμακας και την βιομηχανική αποδοτικότητα κατά την αύξηση της παραγωγής. Εν τω μεταξύ, ο νόμος του Moore αφορά περισσότερο την τεχνολογική καινοτομία και καθοδηγείται από την πρόοδο στην κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής και της μηχανικής σε νανομετρική κλίμακα.

Νέες Γνώσεις

Προηγμένες Μέθοδοι

Μέχρι τώρα, το βανάδιο διοξείδιο έχει αναλυθεί και παρατηρηθεί μόνο ως απομονωμένο συστατικό. Αν και χρήσιμο, αυτό περιορίζει την κατανόηση του τι θα συνέβαινε πραγματικά σε ένα ημιαγωγό που βασίζεται στο βανάδιο διοξείδιο.

Στην δημοσίευσή τους στο Advanced Materials Εντός-Λειτουργίας Χωροχρονική Απεικόνιση της Συζευγμένης Ελαστοδυναμικής Φιλμ-Υποστρώματος Κατά τη Μετάβαση από Μονωτή σε Μέταλλο, οι ερευνητές έκαναν αρκετές νέες ανακαλύψεις.

Χρησιμοποίησαν μικροσκοπία X-ray διάθλασης για να παρατηρήσουν αλλαγές σε πραγματικό χρόνο και με ακρίβεια σε ατομικό επίπεδο.

Και εφάρμοσαν το βανάδιο διοξείδιο πάνω σε υπόστρωμα τιτανίου διοξειδίου, όπως θα ήταν σε ένα πραγματικό ημιαγωγό τσιπ, αντί να το μελετούν απομονωμένα.

Πηγή: Advanced Materials

Αυτή ήταν μια τεράστια προσπάθεια, με τη μελέτη να διαρκεί πάνω από 10 χρόνια και να εμπλέκει πολλές ερευνητικές ομάδες και μια διεπιστημονική προσέγγιση.

«Φέρνοντας μαζί αυτούς τους ειδικούς και συνενώνοντας την κατανόησή μας για το πρόβλημα, καταφέραμε να ξεπεράσουμε πολύ την ατομική μας εξειδίκευση και να ανακαλύψουμε κάτι νέο». – Roman Engel-Herbert, Director of the Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin

Κινήσεις Βαδίου

Οι ερευνητές παρατήρησαν για πρώτη φορά ότι το βανάδιο διοξείδιο διογκώνεται προς τα πάνω όταν μετατρέπεται σε μέταλλο. Αυτό αντίκειται στις θεωρητικές προβλέψεις που υποθέτουν ότι θα συρρικνώνεται.

Πηγή: Advanced Materials

Ανακάλυψαν ότι ένα προηγουμένως αθέατο φαινόμενο από ελλείποντα άτομα οξυγόνου ήταν υπεύθυνο για το διογκωτικό φαινόμενο του υλικού.

«Αυτές οι ουδέτερες ελλείψεις οξυγόνου διατηρούν φορτίο δύο ηλεκτρονίων, τα οποία μπορούν να απελευθερώσουν όταν το υλικό μεταβαίνει από μονωτή σε μέταλλο. Η ελλείψη οξυγόνου που απομένει είναι τώρα φορτισμένη και διογκώνεται, οδηγώντας στην παρατηρούμενη εκπληκτική διόγκωση στη συσκευή». Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Απρόσμενη Δραστηριότητα του Υποστρώματος Τιτανίου

Ένα σχεδόν δόγμα στην κατασκευή ημιαγωγών είναι ότι μόνο η λεπτή μεμβράνη του ημιαγωγικού υλικού πάνω στο υπόστρωμα είναι ενεργή όταν υποβάλλεται σε ρεύμα. Το υπόστρωμα καθ’ αυτό καθαυτό είναι ένα ηλεκτρικά και μηχανικά παθητικό υλικό.

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό δεν ισχύει για τα ημιαγωγικά βανάδιο διοξείδιο.

Αντίθετα, το προηγουμένως θεωρούμενο αδρανές τιτάνιο διοξείδιο επίσης διογκώνεται, από τον ίδιο μηχανισμό που περιλαμβάνει ελλείποντα άτομα οξυγόνου.

Επιπλέον, το επάνω στρώμα του τιτανίου διοξειδίου συμπεριφέρθηκε όπως το βανάδιο διοξείδιο, λειτουργώντας επίσης ως ημιαγωγό.

Αυτή η νέα ανακάλυψη θα είναι κρίσιμη για την κατασκευή πρωτοτύπων εμπορικών ημιαγωγών βανάδιο διοξειδίου.

Εφαρμογές

Ταχύτερα, Καλύτερα Ημιαγωγά

Το βανάδιο διοξείδιο θεωρείται πολύ υποσχόμενο υλικό για να προωθήσει την τεχνολογία ημιαγωγών στο επόμενο επίπεδο, λόγω ορισμένων θεμελιωδών χαρακτηριστικών:

• Η μετάβαση Μονωτής-Σε-Μέταλλο (IMT) συμβαίνει με εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα, μιας τρισεκατομμυριοστής του δευτερολέπτου, ανοίγοντας το δρόμο για υπερ-γρήγορους υπολογισμούς.
• Το βανάδιο διοξείδιο παρουσιάζει έντονα συσχετισμένες ηλεκτρονικές επιδράσεις. Με απλούς όρους, αυτό σημαίνει ότι η απώθηση μεταξύ ηλεκτρονίων δεν μπορεί να αγνοηθεί, όπως γίνεται σήμερα στα ηλεκτρονικά βασισμένα σε πυρίτιο.
  • Αυτό, με τη σειρά του, ανοίγει τις δυνατότητες νέων λειτουργιών όπως η υπερυψηλή θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας και οι ενισχυμένες μαγνητικές ιδιότητες.

Νευρομορφική Υπολογιστική

Η ανακάλυψη της θετικής ανάδρασης λόγω ιοντισμού των κενών από τα ελλείποντα άτομα οξυγόνου θα πρέπει να μειώσει ακόμη περισσότερο τον χρόνο IMT.

Αυτό έχει πολύ σημαντικές συνέπειες, καθώς κάνει το βανάδιο διοξείδιο ενδεχομένως το κατάλληλο υλικό για έναν νέο τύπο υπολογισμού που ονομάζεται νευρομορφική υπολογιστική.

Η νευρομορφική υπολογιστική είναι μια μέθοδος όπου τα υπολογιστικά συστήματα αντλούν έμπνευση από τους εγκεφάλους των ζωντανών συστημάτων με νευρώνες.

Αυτό διαφέρει από τα νευρωνικά δίκτυα που χρησιμοποιούνται σήμερα από την AI και τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα (LLM) που προσπαθούν να μιμηθούν τους νευρώνες, αλλά εξακολουθούν να βασίζονται σε κλασικά πυριτιδικά τρανζίστορ και είναι κυρίως λογισμικό-βασισμένη μηχανική μάθηση.

Έτσι, τα νευρομορφικά τσιπ θα μπορούσαν να μαθαίνουν σε επίπεδο υλικού. Και αντί για δυαδική έξοδο (0 και 1), θα παρήγαγαν σπινθήρες σήματος.

Πηγή: Tech Target

Χάρη στην πολύ γρήγορη μετάβαση Μονωτής-Σε-Μέταλλο, το βανάδιο διοξείδιο με ενεργό υπόστρωμα τιτανίου διοξειδίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία Κυματοδότες σπινθηρισμού τύπου Mott που μοιάζουν με νευρώνες ικανών να αναπαράγουν σε επίπεδο υλικού βιολογικούς νευρώνες.

Επισκόπηση

Τα ημιαγωγά βανάδιο διοξείδιο, η νευρομορφική υπολογιστική και οι κυματοδότες σπινθηρισμού τύπου Mott που μοιάζουν με νευρώνες βρίσκονται στην άκρη της επιστήμης των υλικών και του σχεδιασμού ημιαγωγών, πιθανώς τουλάχιστον μια δεκαετία πριν φτάσουν στην εμπορική βιωσιμότητα.

Το χρονικό πλαίσιο αυτής της δεκαετίας είναι ακριβώς όταν θα πρέπει να περιμένουμε τα πυριτιδικά ημιαγωγά να αρχίσουν να αποτυγχάνουν στη διατήρηση του νόμου του Moore.

Δεν υπάρχει τίποτα στον νόμο του Moore που να λέει ότι τα ημιαγωγά πρέπει να είναι βασισμένα σε πυρίτιο. Είναι μάλλον μια εμπειρική παρατήρηση ότι όσο υπάρχει ζήτηση για πιο ισχυρά τσιπ, οι ερευνητές συνεχίζουν να μαθαίνουν περισσότερα για τη φυσική των ημιαγωγών σε όλο και μικρότερη κλίμακα.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι τώρα μελετάμε τα βανάδιο και τιτάνιο διοξείδια, σε πραγματικό χρόνο και σε ατομικό επίπεδο, φαίνεται λογικό να περιμένουμε ότι ο νόμος του Moore θα παραμείνει ισχύων και υλικά όπως το βανάδιο θα αποτελέσουν το επόμενο βήμα στον σχεδιασμό ημιαγωγών.

Και φυσικά, άλλοι καινοτόμοι τρόποι υπολογισμού θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στη διατήρηση του νόμου του Moore, όπως η φωτονική ή η κβαντική υπολογιστική.

Εταιρείες Προηγμένων Ημιαγωγών

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 την κορυφαία θέση σε όγκο παραγωγής σε εταιρείες όπως η TSMC της Ταϊβάν.

Η Intel είναι ηγέτης στη νευρομορφική υπολογιστική, συμπεριλαμβανομένου του τσιπ Loihi 2.

Πηγή: Intel

Δημιούργησε επίσης την Κοινότητα Έρευνας Νευρομορφικής Υπολογιστικής Intel, η οποία περιλαμβάνει το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας, που συμμετέχει σε αυτή τη πρόσφατη έρευνα βανάδιο διοξειδίου, καθώς και πάνω από 75 άλλες ερευνητικές ομάδες.

Πηγή: Intel

Η Intel είναι επίσης πολύ ενεργή στην μίμηση βιολογικών αισθήσεων μέσω της αναπαραγωγής του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου μας (ο ίδιος κλάδος της νευρομορφικής υπολογιστικής), κάτι που συζητήσαμε περαιτέρω στο άρθρο μας «Βιομιμητικά Οσφρητικά Τσιπ: Είναι η Τεχνητή Νοημοσύνη και τα Ηλεκτρονικά Μυρωδιάματα το Επόμενο Καναρίνι σε Μονωχείο;».

Συνολικά, η έρευνα από το Intel Lab βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της καινοτομίας ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένης της AI, της κβαντικής υπολογιστικής, της νευρομορφικής υπολογιστικής κ.λπ. (συζητάμε τις προόδους της Intel στην κβαντική υπολογιστική στο άρθρο μας «Η Τρέχουσα Κατάσταση της Κβαντικής Υπολογιστικής»).

2. IBM

Ένας άλλος ιστορικός πρωτοπόρος στην υπολογιστική, τα ημιαγωγά και το σχεδιασμό τσιπ, η International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ερευνά επίσης τη νευρομορφική υπολογιστική.

Αναπτύσσει επίσης το SyNAPSE: Επεκτάσιμη ενεργειακά αποδοτική νευροσυναπτική υπολογιστική, με την υποστήριξη του Defense Advanced Research Programs Agency (DARPA), για να συνδυάσει «νανοεπιστήμη, νευροεπιστήμη και υπερυπολογιστές για να προσομοιώσει και να μιμηθεί τις ικανότητες του εγκεφάλου στην αίσθηση, την αντίληψη, τη δράση, την αλληλεπίδραση και τη γνωστική λειτουργία».

Είναι επίσης στην πρώτη γραμμή 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 υπεραγωγικών κβιτ “Condor”.

Πηγή: All About Circuits

Μαζί με την Intel, η IBM είναι ανάμεσα στις εταιρείες που προωθούν πιο έντονα νέες μορφές τεχνολογιών υπολογισμού, όπως η κβαντική και η νευρομορφική υπολογιστική, και είναι πιθανό να ωφεληθεί από την πρόοδο στην κατανόηση της θεμελιώδους ατομικής φυσικής υλικών όπως το βανάδιο διοξείδιο.