Nanotecnología superando los límites de la informática con velocidad y eficiencia

Las tecnologías informáticas avanzadas están logrando grandes avances hacia el logro de alta velocidad y bajo consumo de energía.

Los avances clave en este campo incluyen nuevas arquitecturas de silicio que utilizan diseños en capas para construir chips más rápidos y más pequeños a un costo menor. Mientras tanto, computación fotónica Utiliza ondas de luz para procesar y almacenar datos. Dado que la velocidad de la luz es simplemente insuperable, esto puede ofrecer alta velocidad y baja latencia.

Luego está la informática biológica, donde la información se codifica y almacena en células biológicas, impulsada por los avances realizados en la nanobiotecnología. La computación cuántica también ofrece un potencial significativo, ya que resuelve problemas complejos más rápido que las computadoras actuales al aprovechar la superposición, el entrelazamiento y la interferencia cuántica.

Además, la computación neuromórfica imita los sistemas neuronales de nuestro cerebro para realizar cálculos paralelos; la computación en la nube traslada el procesamiento a ubicaciones remotas o virtuales; y la informática de punta traslada el procesamiento de las instalaciones centralizadas a los usuarios finales.

Todos estos avances en la tecnología informática, que se centran en herramientas y sistemas para procesar, almacenar y comunicar datos, han dado lugar a avances sin precedentes en campos que incluyen la inteligencia artificial (IA) y el análisis de datos.

La investigación en curso en este campo ha llevado a una innovación continua y rápida en las técnicas informáticas, y ahora los científicos profundizan aún más para lograr resultados mejores, más rápidos y más eficientes.

Avance en la fabricación de silicio a nanoescala con láser

Investigadores de la Universidad Bilkent, Turquía, lograron recientemente un importante ruptura desarrollando una técnica para fabricar nanoestructuras en el interior de obleas de silicio. 

El nuevo método permite la nanofabricación dentro del silicio mediante modulación espacial de la luz y pulsos láser, creando nanoestructuras avanzadas que beneficiarán a la electrónica y la fotónica.

El estudio se centró en el silicio, la base de la electrónica, la fotónica y la fotovoltaica. Como semiconductor, la conductividad eléctrica del silicio se encuentra entre la de un aislante y la de un conductor puro. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre y posee propiedades tanto metálicas como no metálicas. Además, las excelentes propiedades eléctricas del silicio, incluida su brecha energética relativamente pequeña, lo convierten en un material importante en la industria de los semiconductores.

Sin embargo, la silicona tiene sido limitado a la nanofabricación a nivel de superficie debido a las dificultades que plantean las técnicas litográficas existentes. Los métodos actuales no pueden penetrar la superficie de la oblea sin causar ningún cambio o están restringidas por la resolución de la litografía láser. Además, las técnicas existentes no permiten una modulación de alta precisión en lo profundo de la oblea. 

Si los dispositivos pudieran ser fabricado directamente dentro de la mayor parte de este metal sin alterar la superficie superior o inferior de la oblea, establecería un nuevo estándar.

Por supuesto, eso significa superar todos estos desafíos de un límite de resolución de fabricación superior a 1 micrón y al mismo tiempo lograr un control a nanoescala multidimensional dentro de la oblea.. Sin embargo, hacerlo sería un avance mágico, que permitiría nuevas funcionalidades de la nanofotónica 3D y conduciría a metasuperficies dentro del Si. 

Para lograrlo, la última investigación explotó rayos láser modulados espacialmente y retroalimentación anisotrópica de estructuras subterráneas preformadas. Este permitió al equipo establecer una capacidad de nanofabricación controlada dentro del Si mediante la manipulación de la materia a nanoescala. 

Para profundizar, el equipo de Bilkent abordó el desafío de los efectos ópticos complejos dentro de la oblea y el límite de difracción inherente de la luz láser utilizando el pulso láser único, que se creó modulando el espacio. Los impulsos láser modulados espacialmente corresponden a una función de Bessel. 

Los efectos de dispersión óptica, que hasta entonces obstaculizaban la deposición precisa de energía, fueron superados por la naturaleza no difractante del rayo láser especial. Esta naturaleza no difractante es creado con técnicas avanzadas de proyección holográfica, que permiten la localización precisa de la energía. Este conduce a valores de presión y temperatura suficientemente altos para modificar el material en un volumen pequeño. 

Según Onur Tokel, profesor del Departamento de Física:

“Nuestro enfoque se basa en localizar la energía del pulso láser dentro de un material semiconductor en un volumen extremadamente pequeño, de modo que se puedan explotar efectos de mejora de campo emergentes análogos a los de la plasmónica. Este conduce a un control multidimensional y por debajo de la longitud de onda directamente dentro del material”.

Y agregó:

"Ahora podemos fabricar elementos nanofotónicos enterrados en silicio, como nanorejillas con alta eficiencia de difracción e incluso control espectral".

Este fue seguido por un efecto de siembra emergente, donde los nanovacíos realizados en el subsuelo crearon una fuerte mejora del campo en su entorno cercano. Una vez establecida, la mejora del campo resultante se mantiene, lo que significa que la creación de nanoestructuras anteriores ayuda a fabricar las nanoestructuras posteriores. 

Mientras tanto, el uso de polarización láser proporcionó a los investigadores un control adicional sobre la alineación y la simetría de las nanoestructuras a nanoescala, lo que permite el desarrollo preciso de nanomatrices variadas.

"Al aprovechar el mecanismo de retroalimentación anisotrópica que se encuentra en el sistema de interacción láser-material, logramos nanolitografía en silicio controlada por polarización".

– El autor principal del estudio, Dr. Asgari Sabet 

Este nuevo método de fabricación ha logrado tamaños de características tan pequeños como 100 nm, lo que supone una gran mejora con respecto a los regímenes convencionales. 

Este estudio podría tener implicaciones considerables para sistemas a nanoescala con estructuras específicas al demostrar nanoestructuración volumétrica de área grande con control multidimensional y características más allá del límite de difracción. Según los investigadores, los posibles avances futuros resultantes de este estudio pueden incluir metamateriales, metasuperficies, aplicaciones de procesamiento de información y cristales fotónicos.

La investigación también muestra un potencial sustancial para la integración con sistemas en chip, siendo la capacidad de nanorejilla introducida un paso hacia este objetivo. El estudio señala que también constituye la primera fotónica de Si multicapa.

En general, el estudio ha introducido “un nuevo paradigma de fabricación de silicio. La capacidad de fabricar a escala nanométrica directamente dentro del silicio abre un nuevo régimen hacia una mayor integración y una fotónica avanzada”, afirmó el profesor Tokel. El siguiente paso del estudio es investigar si se puede realizar una nanofabricación 3D completa en Si. ser logrado. 

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Nanomateriales allanando el camino para la informática de próxima generación

Como vimos anteriormente, los investigadores se centran en la nanoestructura para obtener mejores resultados. La nanotecnología consiste en controlar la materia a nanoescala, con un tamaño que oscila entre 1 y 100 nanómetros. 

A una escala tan pequeña, podemos experimentar propiedades y comportamientos únicos de los materiales, lo que permite a los investigadores e ingenieros manipularlos para diversas aplicaciones. Como resultado, la nanotecnología tiene amplias implicaciones en muchas industrias, incluidas la energía, la electrónica, la medicina y la ciencia de los materiales.

Con un gran potencial para abordar algunos de los desafíos más apremiantes del mundo, la nanotecnología ha estado evolucionando rápidamente con avances y avances continuos, especialmente en informática y electrónica. De hecho, la nanotecnología ha contribuido en gran medida a importantes avances en estos sectores, que han dado lugar a sistemas más rápidos, más pequeños y más portátiles.

Por ejemplo, los nanomateriales como el grafeno y los nanotubos de carbono se han mostrado prometedores a la hora de crear componentes electrónicos flexibles y transparentes.

Las nanoestructuras han transformado los campos de los semiconductores y la informática al mejorar las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas de los materiales más allá de sus homólogos en masa.

En este contexto, se están logrando avances en la computación y la comunicación cuánticas utilizando bits cuánticos a nanoescala. Además, continúa la investigación para desarrollar nanomateriales para baterías y supercondensadores de alta capacidad y carga rápida. Mientras tanto, los avances en las técnicas de fabricación a nanoescala están permitiendo la creación de dispositivos y componentes miniaturizados con un rendimiento potente.

Al permitir el desarrollo de dispositivos más pequeños y eficientes, como transistores a nanoescala y chips de memoria, la nanotecnología ha aumentado enormemente la potencia informática y la capacidad de almacenamiento., superando los límites de la Ley de Moore.

La Ley de Moore a la que se hace referencia aquí fue formulado por el cofundador de Intel, Gordon Moore, quien postuló que la cantidad de transistores en un solo chip se duplicaría aproximadamente cada dos años, con un aumento mínimo en el costo.

Si analizamos eso, fue en la década de 1950 cuando los transistores comenzaron a reemplazar a los tubos de vacío como componente clave de los circuitos electrónicos. Si bien los transistores iniciales tenían normalmente un centímetro de largo, pronto fueron medidos en milímetros.

A principios de este siglo, el tamaño se había reducido a entre 130 y 250 nanómetros, para luego reducirse aún más a apenas 14 nanómetros hace aproximadamente una década. Luego, en 2015, IBM redujo este tamaño a la mitad creando el primer transistor de siete nanómetros. Este viaje hacia transistores más pequeños, pero mejores y más rápidos, continúa incluso hoy.

En los últimos años, el tamaño de transistor más pequeño en producción ha ha sido reducido a 3 nm, e IBM anunció un transistor de 2 nm en mayo de 2021, que es más pequeño que una hebra de ADN. Nos centramos en los transistores porque son fundamentales para alimentar casi todos los dispositivos electrónicos.

Curiosamente, cuanto más pequeños se vuelven estos transistores, menos energía consumen y más rápidos se vuelven. Sin embargo, muchos creen que solo se puede hacer algo más pequeño durante un tiempo y, eventualmente, no podremos seguir reduciendo el tamaño. Ahí es cuando Se necesitarán nuevos nanomateriales y tecnología avanzada. para mejorar nuestros dispositivos.

Este ha llevado a los científicos a cambiar su enfoque hacia tecnologías como los sistemas neuromórficos, que requieren el desarrollo de nuevas neuronas y sinapsis artificiales que puedan superar el rendimiento de los circuitos CMOS (semiconductores de óxido metálico complementario) estándar.

Mediante el uso de neuronas y sinapsis artificiales, estas computadoras simulan cómo el cerebro humano procesa la información. Este les permite reconocer patrones, resolver problemas y tomar decisiones de manera más eficiente y rápida que las computadoras actuales. Aunque este campo aún es nuevo, resulta prometedor en la computación cognitiva, los vehículos autónomos y la inteligencia artificial, donde la velocidad y la eficiencia son importantes.

Los investigadores también están explorando nuevas clases de materiales, como puntos cuánticos y grafeno, para satisfacer las necesidades de la informática avanzada. Estudios recientes han Se exploraron los autómatas celulares de puntos cuánticos (QCA) diseñar ordenadores a nanoescala con mejoras tanto en velocidad como en eficiencia.

Además del grafeno, los materiales 2D como los dicalcogenuros de metales de transición (2D-TMD) son siendo considerado para uso en semiconductores. La amplia superficie de este material permite una interacción eficiente con la luz y mejora su apropiación para manipular la luz, mientras que su inusual movilidad del portador de carga aumenta el rendimiento del dispositivo. Su durabilidad lo hace resistente para diversas aplicaciones del mundo real. 

Como se señaló anteriormente, las últimas investigaciones que logran la nanofabricación dentro del silicio también apuntan a permitir la próxima generación de chips basados ​​en silicio con una potencia de procesamiento mucho mayor.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales empresas que trabajan para avanzar en el campo de la nanotecnología.

Empresas que trabajan en tecnología informática avanzada

Si consideramos las empresas involucradas en este campo, Applied Materials (AMAT) proporciona tecnología de nanofabricación de semiconductores avanzados. Advanced Micro Devices (AMD) desarrolla hardware informático de alto rendimiento y explora tecnologías informáticas avanzadas.

NVIDIA Corporation (NVDA), conocida por sus GPU, también ha invertido mucho en la investigación de la computación cuántica. Las supercomputadoras Nvidia son siendo utilizado Desarrollar sistemas de recocido cuántico para resolver problemas específicos. NVIDIA, a menudo conocida como la "querida de la IA", ha visto cómo sus acciones subían un 157% en lo que va del año (YTD).

La compañía registró ventas récord de 26 mil millones de dólares en el 1T24, un 18% más que el trimestre anterior y un 262% más que el año anterior. La corporación también anunció una división de acciones de diez por uno el 7 de junio de 2024 y aumentó su dividendo en efectivo trimestral a 0.01 dólares.

Echemos ahora un vistazo a las empresas pioneras en la investigación en informática avanzada, nanotecnología e innovaciones en el diseño de chips.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM) es una empresa de tecnología popular que participa en oportunidades de nube e inteligencia artificial. Su atención se centra en la investigación de la computación cuántica y el avance de la tecnología de semiconductores.

Durante el año pasado, la compañía presentó su procesador cuántico de última generación, el IBM Heron, que tiene 133 qubits de frecuencia fija y una potencia de tres a cinco veces mayor. mejora en el rendimiento del dispositivo.

Según Jay Gambetta, vicepresidente de IBM Quantum:

"Todo el poder del uso de la computación cuántica estará impulsado por la IA generativa para simplificar la experiencia del desarrollador".

La empresa tiene una capitalización de mercado de 180.57 millones de dólares y sus acciones se cotizan a 195.51 dólares, un aumento del 19.86% hasta la fecha. Su rentabilidad por dividendo es del 3.41%. Para el 2T24, IBM reportó ingresos de 15.8 millones de dólares, un aumento del 2% con respecto al año anterior.

Mientras tanto, el flujo de caja libre fue de 2.6 millones de dólares, que la empresa aumentó a 12 millones de dólares para el año completo, con 1.5 millones de dólares devueltos a los accionistas en dividendos durante el período. La empresa finalizó el trimestre con 16 millones de dólares en efectivo, efectivo restringido y valores negociables. Si bien destacó la experiencia de IBM en IA empresarial y su negocio de IA generativa que ha crecido a más de 2 mil millones de dólares desde el lanzamiento de Watsonx hace un año, el CEO de IBM, Arvind Krishna:

"Tuvimos un segundo trimestre sólido, superando nuestras expectativas".

#2. Corporación Intel

Intel Corporation (INTC) innova en diseños de chips y explora la computación neuromórfica y cuántica. Este fabricante de chips semiconductores es el inventor de la serie de microprocesadores x86, que se encuentran en la mayoría de las computadoras personales. Actualmente la empresa está trabajando en recuperando su ventaja en la fabricación mundial de chips, para lo cual recibió financiación a través de subvenciones y préstamos del gobierno de EE. UU.

A través de la investigación neuromórfica, Intel pretende acelerar el futuro de la IA adaptativa codiseñando hardware optimizado con software de IA de próxima generación. Además, Intel ha establecido la Comunidad de investigación neuromórfica Intel (INRC). Este esfuerzo de colaboración global une a equipos de instituciones de investigación, grupos académicos, empresas y laboratorios gubernamentales para avanzar en la frontera de la IA inspirada en el cerebro.

La compañía tiene una capitalización de mercado de 89.56 mil millones de dólares y sus acciones cotizan a 21.06 dólares, un 58.23% menos hasta la fecha. Para el 2T24, Intel informó resultados financieros "decepcionantes", con ingresos de 12.8 millones de dólares, un descenso interanual del 1%, mientras que el EPS no GAAP fue de 0.02 dólares. La compañía anunció un dividendo suspendido a partir del cuarto trimestre de 2024 y al mismo tiempo reiteró su "compromiso a largo plazo con un dividendo competitivo a medida que los flujos de efectivo mejoren a niveles más altos de manera sostenible".

Conclusión

La informática avanzada, que se centra en nuevos métodos y tecnologías que impulsan métodos informáticos innovadores, está atrayendo un gran interés por parte de empresas, investigadores, ingenieros y gobiernos por igual. Después de todo, es fundamental para la ciberseguridad, los mercados financieros y muchas otras infraestructuras críticas. Además, el uso generalizado de la IA está respaldado por potencia informática avanzada, junto con datos, algoritmos y microchips.

En las últimas décadas, los avances en la tecnología informática han mejorado significativamente el rendimiento y la funcionalidad de los dispositivos que utilizamos habitualmente, impulsando así el crecimiento de la economía digital. Dado su profundo impacto en la sociedad, la investigación y el desarrollo continuos son imprescindibles para satisfacer las demandas de la computación que consume mucha energía y allanar el camino para la computación avanzada, permitiendo la creación de productos y servicios que antes eran inimaginables.

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