Υπολογιστική
Το Φωσφορικό Νιόβιο Θα Μπορεί Να Καταστήσει Τα Κέντρα Δεδομένων Πιο Αποδοτικά Αντιμετωπίζοντας Τις Αδυναμίες Στις Υλικά
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Απαιτείται Νέος Αγωγός Για Νανότσιπ
Κατά την παραγωγή προηγμένων υπολογιστικών τσιπ, η κύρια τεχνολογική εστίαση ήταν στη μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ και στη δημιουργία πιο προηγμένων μορφών ημιαγωγικών υλικών. Αυτό ήταν η κινητήρια δύναμη πίσω από την επιτυχία εταιρειών όπως η TSMC (TSM ), που πλέον φθάνουν σε κόμβους τσιπ στο επίπεδο των 3 ή ακόμη και 2 nm (νανόμετρα).
Ωστόσο, σε αυτήν την κλίμακα, εμφανίζονται νέα ζητήματα που δεν σχετίζονται με τα ημιαγωγά. Ένα από αυτά είναι ότι τα παραδοσιακά αγώγιμα υλικά όπως ο χαλκός δεν οδηγούν καλά το ηλεκτρικό ρεύμα όταν το μεταλλικό σύρμα γίνεται πολύ λεπτό.
Αυτό μπορεί να δημιουργήσει σημεία συμφόρησης για το ρεύμα μέσα στα τσιπ, μειώνοντας την υπολογιστική ισχύ και τη συνολική αποδοτικότητα, καθώς και προκαλώντας υπερθέρμανση.
Έτσι, είναι σημαντικό νέο ότι ερευνητές του Πανεπιστημίου Stanford, του Πανεπιστημίου Ajou, Suwon (Νότια Κορέα) και του IBM Watson Research Center έχουν αναπτύξει ένα υπερλεπτό υλικό που οδηγεί το ηλεκτρικό ρεύμα καλύτερα από τον χαλκό σε αυτές τις συνθήκες.
Δημοσίευσαν την ανακάλυψή τους στο αξιόλογο επιστημονικό περιοδικό Science, με τίτλο «Επιφανειακή αγωγιμότητα και μειωμένη ηλεκτρική αντίσταση σε υπερλεπτό μη κρυσταλλικό ημιαγωγό NbP1».
Αντικατάσταση του Χαλκού στην Υπολογιστική
Λόγω της σχετικά χαμηλής τιμής του και της εξαιρετικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας, ο χαλκός έχει αποτελέσει το κύριο μέταλλο για ηλεκτρική σύνδεση και είναι επίσης βασικό μέταλλο σε μπαταρίες, δίκτυα ηλεκτρισμού κ.λπ.
Ωστόσο, λόγω της μειωμένης αγωγιμότητας του χαλκού σε νανοκλίμακες κάτω από 50 nm, οι ερευνητές αναζητούν εναλλακτικές λύσεις εδώ και κάποιο χρόνο. Το πρόβλημα είναι ότι τα γνωστά αγώγιμα υλικά που λειτουργούν σε νανοκλίμακα έχουν εξαιρετικά ακριβείς κρυσταλλικές δομές, οι οποίες πρέπει να σχηματιστούν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
Αυτό δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει για ημιαγωγούς και τσιπ, καθώς η υψηλή θερμοκρασία θα κατέστρεφε τα ευαίσθητα πυριτιούχα εξαρτήματα.
Έτσι, ξεκίνησε ο αγώνας για την εύρεση ενός υπερλεπτού αγωγού που δεν θα εξαρτάται από μονοκρυσταλλικές μεμβράνες.
Φωσφορικό Νιόβιο
Οι ερευνητές εργάστηκαν με το φωσφορικό νιόβιο, ένα υλικό που είναι γνωστό για τις μοναδικές του ηλεκτρικές ιδιότητες, όπως υπερ‑γρήγορα ηλεκτρόνια και πολύ υψηλή μαγνητοαντίσταση. Χρησιμοποιείται ήδη σε εφαρμογές λέιζερ και υψηλής ισχύος / υψηλής συχνότητας.
Το φωσφορικό νιόβιο ονομάζεται τοπολογικός ημιαγωγός: αυτό σημαίνει ότι ενώ ολόκληρο το υλικό μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό, η επιφάνεια είναι πιο αγώγιμη από το εσωτερικό.
Για να απλοποιήσουμε λίγο την έννοια, μπορούμε να πούμε ότι όσο πιο λεπτή είναι η στρώση του φωσφορικού νιόβιου, τόσο μεγαλύτερο είναι το τμήμα της επιφάνειας, με σχεδόν κανένα «μέσον». Συνεπώς, αναμένεται ότι όσο πιο λεπτό είναι το φωσφορικό νιόβιο, τόσο πιο αγώγιμο γίνεται.
Και αυτό είναι ακριβώς ό,τι παρατήρησαν οι ερευνητές.
«Έχει θεωρηθεί ότι αν θέλουμε να αξιοποιήσουμε αυτές τις τοπολογικές επιφάνειες, χρειαζόμαστε ωραίες μονοκρυσταλλικές μεμβράνες που είναι πραγματικά δύσκολο να εναποθετηθούν. Τώρα έχουμε μια άλλη κατηγορία υλικών – αυτούς τους τοπολογικούς ημιαγωγούς – που θα μπορούσαν ενδεχομένως να λειτουργήσουν ως τρόπος μείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης στα ηλεκτρονικά.»
Αυτό είναι ένα πολύ νέο πεδίο, με φυσικούς που άρχισαν να πειραματίζονται με τοπολογικούς ημιαγωγούς μόνο από το 2015. Και η λεπτότητα <5nm δεν είχε παραχθεί ποτέ πριν.
Χαμηλότερη Θερμοκρασία Για Εφαρμογές Υπολογιστών
Η χαμηλότερη θερμοκρασία σημαίνει ότι το φωσφορικό νιόβιο είναι κάπως ακατάστατο, με μόνο νανοκρυστάλλους σε αμορφικό πλέγμα.
Πηγή: Stanford Report
Με περαιτέρω ανάλυση, φαίνεται ότι η υψηλή αγωγιμότητα οφείλεται σε αγώγιμα κανάλια στην επιφάνεια του υπερλεπτού φιλμ.
Το φιλμ μπορεί να εναποθετηθεί μόνο στους 400 °C (752 °F), μια θερμοκρασία αρκετά χαμηλή ώστε να μην καταστρέψει τα κοντινά πυριτιούχα τρανζίστορ σε ένα υπολογιστικό τσιπ. Έτσι, θα ήταν ένα ιδανικό υλικό για τη σύνδεση των εσωτερικών εξαρτημάτων ενός τσιπ με χαμηλή αντίσταση και, κατά συνέπεια, χαμηλή παραγωγή θερμότητας.
«Αν πρέπει να κατασκευάσετε τέλεια κρυσταλλικά καλώδια, αυτό δεν θα λειτουργήσει για τη νανοηλεκτρονική.
Αλλά αν μπορείτε να τα κάνετε αμορφικά ή ελαφρώς ακατάστατα και εξακολουθούν να σας παρέχουν τις ιδιότητες που χρειάζεστε, αυτό ανοίγει την πόρτα σε πιθανές πραγματικές εφαρμογές.
Yuri Suzuki – Καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής
Υψηλή Αγωγιμότητα
Σε σύγκριση με τα κανονικά φιλμ φωσφορικού νιόβιου, το 5 nm λεπτό φιλμ ήταν 6 φορές πιο αγώγιμο. Αυτό ήταν επίσης χαμηλότερο από τα συνηθισμένα μέταλλα όπως ο χαλκός.
Όταν ήταν 1,5 nm λεπτό, το υλικό ήταν δύο φορές πιο αγώγιμο από τον χαλκό.
Έτσι, αυτό είναι πραγματικά το πρώτο παράδειγμα μη κρυσταλλικών, χαμηλής θερμοκρασίας αγωγών που υπερβαίνουν την αγωγιμότητα των κανονικών μετάλλων σε νανοκλίμακα.
Πηγή: Stanford Report
«Πραγματικά υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονικά χρειάζονται πολύ λεπτές μεταλλικές συνδέσεις, και αν αυτά τα μέταλλα δεν αγωγούν καλά, χάνουν πολύ ενέργεια και ισχύ.
Καλύτερα υλικά θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να ξοδεύουμε λιγότερη ενέργεια σε μικρά καλώδια και περισσότερη ενέργεια στην πραγματική εκτέλεση υπολογισμών.
Eric Pop – Καθηγητής Ηλεκτρολογικής Μηχανικής
Τα Επόμενα Βήματα
Το επόμενο βήμα είναι να δοκιμαστεί σε πραγματικό τσιπ πόσο καλά λειτουργεί το νήμα φωσφορικού νιόβιου όταν εφαρμόζεται στη νανοηλεκτρονική, όχι μόνο για την αγωγιμότητα αλλά και για την αξιοπιστία και το πώς μπορεί να ενσωματωθεί στη διαδικασία κατασκευής.
Για αυτό, θα χρειαστεί πρώτα να κατασκευάσουν σε κλίμακα νάνο‑σύρμα φωσφορικού νιόβιου.
Άλλη εργασία θα είναι να ελεγχθεί αν αυτή η έννοια θα μπορούσε να μεταφερθεί καλύτερα από άλλους ημιαγωγούς που ίσως λειτουργούν ακόμη καλύτερα από το νιόβιο.
«Για να υιοθετηθεί αυτή η κατηγορία υλικών στην μελλοντική ηλεκτρονική, χρειάζεται να είναι ακόμη καλύτεροι αγωγοί. Γι’ αυτό εξετάζουμε εναλλακτικούς τοπολογικούς ημιαγωγούς.»
Xiangjin Wu, φοιτητής διδακτορικού στο Stanford
Η απομάκρυνση θερμότητας είναι τώρα μία από τις κύριες διαδικασίες κατανάλωσης ενέργειας σε αυτά τα κέντρα δεδομένων, εξίσου με την ίδια τη διαδικασία υπολογισμού. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τσιπ 5‑3 nm, που απαιτούνται για την εκπαίδευση AI και τους πιο σύνθετους υπολογισμούς.
Έτσι, μακροπρόθεσμα, τα υλικά που είναι αγώγιμα σε νανοκλίμακα θα είναι απαραίτητα, καθώς η παραγωγή θερμότητας γίνεται όλο και μεγαλύτερο πρόβλημα για τα κέντρα δεδομένων που χρησιμοποιούν προηγμένα τσιπ.
Είναι επίσης πιθανό ότι τα υπερλεπτά φιλμ φωσφορικού νιόβιου θα βρουν άλλες εφαρμογές σε προηγμένες τεχνολογίες, ειδικά όπου αυτό το υλικό χρησιμοποιείται ήδη, όπως σε εξοπλισμό λέιζερ ή τηλεπικοινωνιών.
Επένδυση σε Προηγμένα Αγωγό Υλικά
Καθώς τα προηγμένα τσιπ και τα στοιχεία ημιαγωγών γίνονται μικρότερα, η βιομηχανία συγκεντρώνεται σε έναν μικρό αριθμό μεγάλων κατασκευαστών όπως η TSMC (TSM ), η Intel (INTC ) ή η Nvidia (NVDA ) (ακολουθήστε τους συνδέσμους για ειδικές αναφορές για κάθε μία από αυτές τις εταιρείες).
Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με ημιαγωγούς μέσω πολλών χρηματιστών, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο securities.io, τις προτάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στις ΗΠΑ, Καναδά, Αυστραλία, Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες.
Ή, αν προτιμάτε μια πιο διαφοροποιημένη προσέγγιση, μπορείτε να επενδύσετε σε ETF σχετιζόμενα με ημιαγωγούς όπως το iShares Semiconductor ETF (SOXX), το VanEck Semiconductor ETF (SMH), ή το Global X Semiconductor ETF (SEMI).
Μπορείτε επίσης να μάθετε περισσότερα για την εφοδιαστική αλυσίδα εξοπλισμού κατασκευής ημιαγωγών και τις βασικές εταιρείες στο «Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support».
Εταιρεία Υπολογιστικών Προηγμένων Υλικών
IBM Διάγραμμα τιμής
Η International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ήταν η ηγετική δύναμη πίσω από την εμπορευματοποίηση του πρώτου mainframe υπολογιστή. Ήταν επίσης ο κύριος βιομηχανικός εταίρος των ερευνητών του Stanford για το έργο τους με το φωσφορικό νιόβιο.
Η εταιρεία έχει υστερήσει σε όγκο παραγωγής σε σχέση με άλλους τεχνολογικούς γίγαντες όπως η Apple (AAPL ), η TSMC και η NVIDIA.
Ωστόσο, βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης νέων υπολογιστικών υλικών και τεχνολογίας.
Η IBM βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της προόδου στην τεχνολογία αγωγιμότητας, και οι τοπολογικοί ημιαγωγοί είναι μόνο ένας από αυτούς τους τομείς. Έτσι, δεν είναι μόνο πρωτοπόρα στα νέα υπερλεπτά αγώγιμα υλικά, αλλά και στους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας.
Τέτοιοι υπεραγωγοί είναι κρίσιμοι για τους κβαντικούς υπολογιστές. Πρόσφατα, η IBM ανέπτυξε το «Condor», έναν κβαντικό επεξεργαστή 1.121 υπεραγώγιμων qubit βασισμένο στην τεχνολογία πύλης cross‑resonance, μαζί με το «Heron», έναν κβαντικό επεξεργαστή στην άκρη του πεδίου.
Η IBM συμμετέχει στα περισσότερα άλλα καινοτόμα έργα στην υπολογιστική και τη βιομηχανία ημιαγωγών. Αυτά περιλαμβάνουν αγώγιμα οργανικά υλικά, νευρομορφική υπολογιστική, φωτονική, κ.λπ.
Σε κάποιο βαθμό, η IBM έχει μετατραπεί σε «εταιρεία πατεντών» με εξειδίκευση στην ανάπτυξη νέων υπολογιστικών μεθόδων και την αδειοδότησή τους στη βιομηχανία.
Μέχρι στιγμής, η IBM φαίνεται πολύ αποφασισμένη να κατέχει όσο το δυνατόν περισσότερες βασικές πατέντες σε όλες τις μη πυριτιούχες υπολογιστικές μεθόδους, επαναλαμβάνοντας την προηγούμενη επιτυχία της όταν συνέβαλε μαζικά στην ανάπτυξη της βιομηχανίας ημιαγωγών σε γιγαντιαία κλίμακα.
Το φωσφορικό νιόβιο και άλλες τεχνολογίες σχετικές με τοπολογικούς ημιαγωγούς θα ταιριάζουν ακριβώς σε αυτή τη στρατηγική, με την IBM να αναπτύσσει την τεχνολογία για την αντικατάσταση του χαλκού σε αυτές τις περιπτώσεις και στη συνέχεια να την αδειοδοτεί στις μεγάλες φάρμες τσιπ για τα βήματα κατασκευής.
Αναφορά Μελέτης:
1. Khan, A. I., et al. (2025). Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096
