Computación
Manteniendo el ritmo de la Ley de Moore con sustratos activos y computación neuromórfica
Nuevos semiconductores necesarios
La industria de los semiconductores ha crecido constantemente en importancia durante las últimas décadas, pasando de computadoras industriales de gran escala a una parte esencial de prácticamente todas las máquinas y dispositivos actuales.
Este crecimiento ha sido impulsado por la creciente complejidad y miniaturización de los semiconductores. Sin embargo, debido a las propiedades físicas fundamentales del silicio, los semiconductores basados en silicio están comenzando a alcanzar ciertos límites.
Afortunadamente, el silicio no es, de lejos, el único material que muestra propiedades semiconductoras, es decir, la capacidad de cambiar de un estado en el que actúa como aislante (no permite el flujo de electricidad) a un conductor (permite el flujo de electricidad).
Nuevas investigaciones revelan nuevas ideas sobre la física fundamental de materiales semiconductores innovadores como el dióxido de vanadio y propiedades semiconductoras previamente inesperadas del dióxido de titanio.
La investigación fue realizada por un esfuerzo multidisciplinario llevado a cabo por investigadores de la Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology y el Paul Drude Institute of Solid State Electronics en Berlín, Alemania.
Vanadio y la Ley de Moore
Lo que convierte al dióxido de vanadio en un candidato principal para la nueva tecnología de semiconductores es la capacidad del vanadio de cambiar entre metal — el estado “1” — e aislador — el estado “0” — en solo un trillonésimo de segundo.
Este es un fenómeno conocido como “sufrir transiciones metal‑aislador”. La velocidad de la transición metal‑aislador debería permitir electrónica más rápida y más pequeña en comparación con la electrónica clásica basada en silicio.
Esto es esencial si queremos que la industria de los semiconductores siga el ritmo de la Ley de Moore.
Formulada en 1965, la Ley de Moore es la ley empírica de que la industria de los semiconductores aumenta el número de transistores en un chip en un 100 % cada dos años. Esto se ha mantenido durante décadas, pero los límites fundamentales de los chips de silicio hacen que pronto se necesiten nuevos tipos de materiales para que siga siendo válida.
La Ley de Moore es una aplicación a la industria de los semiconductores de la Ley de Wright de 1936, que establece que los costos de fabricación se reducirán hasta un 15 % por cada duplicación de la producción (desarrollada inicialmente para la industria aeronáutica).
La Ley de Wright es más una regla sobre la economía de escala y la eficiencia industrial al aumentar la producción. Mientras tanto, la Ley de Moore se centra más en la innovación tecnológica y está impulsada por los avances en la comprensión de la física fundamental y la ingeniería a escala nanométrica.
Nuevas ideas
Métodos avanzados
Hasta ahora, el dióxido de vanadio solo se había analizado y observado como un componente aislado. Aunque útil, esto limitaba la comprensión de lo que realmente sucedería en un semiconductor que depende del dióxido de vanadio.
En su publicación en Advanced Materials (\”Imágenes espaciotemporales in‑operando de la elastodinámica acoplada película‑sustrato durante una transición de aislador a metal\”) los investigadores realizaron varios descubrimientos nuevos.
Utilizaron microscopía de difracción de rayos X para observar cambios en tiempo real y con precisión a nivel atómico.
Y aplicaron el dióxido de vanadio sobre un sustrato de dióxido de titanio, como sería en un chip semiconductor real, en lugar de estudiarlo de forma aislada.
Fuente: Advanced Materials
Esto fue un esfuerzo masivo, con el estudio mismo tomando más de 10 años e involucrando a muchos equipos de investigación y un enfoque multidisciplinario.
“Al reunir a estos expertos y combinar nuestra comprensión del problema, pudimos ir mucho más allá de nuestro alcance individual de experiencia y descubrir algo nuevo.” – Roman Engel-Herbert, Director del Paul Drude Institute of Solid State Electronics en Berlín
Movimientos del vanadio
Los investigadores observaron por primera vez que el dióxido de vanadio se infló hacia arriba al cambiar a metal. Esto contradecía las predicciones teóricas que asumían que se contraería.
Fuente: Advanced Materials
Descubrieron que un efecto previamente inesperado de los átomos de oxígeno faltantes era responsable de la hinchazón del material.
“Estas vacantes de oxígeno neutras retienen una carga de dos electrones, que pueden liberar cuando el material pasa de aislador a metal. La vacante de oxígeno que queda ahora está cargada y se hincha, lo que lleva a la sorprendente hinchazón observada en el dispositivo.”
Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University
Actividad inesperada del sustrato de titanio
Un cuasi‑dogma en la fabricación de semiconductores es que solo la película delgada de material semiconductor sobre el sustrato está activa cuando se le aplica una corriente. El sustrato en sí es un material pasivo eléctrica y mecánicamente.
En este estudio, los investigadores descubrieron que este no es el caso para los semiconductores de dióxido de vanadio.
En cambio, el dióxido de titanio, previamente considerado inerte, también se hincha, por el mismo mecanismo que involucra átomos de oxígeno faltantes.
Además, la capa superior de dióxido de titanio se comportó como el dióxido de vanadio, actuando también como semiconductor.
Este nuevo descubrimiento será crucial para construir prototipos de semiconductores comerciales de dióxido de vanadio.
Aplicaciones
Semiconductores más rápidos y mejores
El dióxido de vanadio se considera un material muy prometedor para llevar la tecnología de semiconductores al siguiente nivel, debido a algunas características fundamentales:
- La transición de aislador a metal (IMT) ocurre a una velocidad extrema de un trillonésimo de segundo, abriendo el camino a cálculos ultrarrápidos.
- El dióxido de vanadio tiene efectos electrónicos fuertemente correlacionados. En términos simples, esto significa que la repulsión entre electrones no puede ser ignorada, como se hace actualmente en la electrónica basada en silicio.
- Esto, a su vez, abre posibilidades de funcionalidades novedosas como la superconductividad a alta temperatura y propiedades magnéticas mejoradas.
Computación neuromórfica
El descubrimiento del proceso de retroalimentación positiva debido a la ionización de vacantes por los átomos de oxígeno faltantes debería reducir aún más el tiempo de IMT.
Esto tiene consecuencias muy importantes, ya que hace que el dióxido de vanadio sea potencialmente el material adecuado para un nuevo tipo de cálculo llamado computación neuromórfica.
La computación neuromórfica es un método donde los sistemas informáticos se inspiran en los cerebros de los sistemas vivos con neuronas.
Esto difiere de las redes neuronales que actualmente usan la IA y los LLM, que intentan imitar neuronas, pero aún dependen de transistores de silicio clásicos y son mayormente aprendizaje automático basado en software.
Así, los chips neuromórficos podrían aprender a nivel de hardware. Y en lugar de una salida binaria (0 y 1), producirían picos de señal.
Fuente: Tech Target
Gracias a su transición de aislador a metal muy rápida, el dióxido de vanadio con un sustrato activo de dióxido de titanio podría usarse para crear osciladores de disparo tipo neurona Mott capaces de replicar a nivel de hardware neuronas biológicas.
Visión general
Los semiconductores de dióxido de vanadio, la computación neuromórfica y los osciladores de disparo tipo neurona Mott están en la vanguardia de la ciencia de materiales y el diseño de semiconductores, probablemente al menos una década antes de alcanzar la viabilidad comercial.
Este marco temporal de la década es precisamente cuando deberíamos esperar que los semiconductores basados en silicio empiecen a fallar en mantener válida la Ley de Moore.
No hay nada en la Ley de Moore que indique que los semiconductores deban ser basados en silicio. Es más bien una observación empírica de que, mientras exista demanda de chips más potentes, los investigadores siguen aprendiendo más sobre la física de los semiconductores a escalas cada vez menores.
Considerando que ahora estudiamos los dioxidos de vanadio y titanio, en tiempo real y a nivel atómico, parece razonable esperar que la Ley de Moore se mantenga y que materiales como el vanadio sean el próximo paso en el diseño de semiconductores.
Y, por supuesto, otras formas innovadoras de computación también podrían ayudar a mantener la Ley de Moore en camino, como la fotónica o la computación cuántica.
Empresas de semiconductores avanzados
1. Intel
(INTL )
Intel es un gigante en el sector de los semiconductores y ha evolucionado a lo largo de los años de ser un fundador de la industria a un líder científico e innovador, perdiendo el primer puesto de volumen de fabricación frente a empresas como TSMC de Taiwán.
Intel es un líder en computación neuromórfica, incluido a través de su chip Loihi 2.
Fuente: Intel
También creó la Intel Neuromorphic Research Community, que incluye a la Pennsylvania State University, involucrada en esta reciente investigación del dióxido de vanadio, así como a más de 75 otros grupos de investigación.
Fuente: Intel
Intel también está muy activo en imitar la percepción biológica replicando la forma en que funciona nuestro cerebro (una rama de la computación neuromórfica), algo que discutimos más a fondo en nuestro artículo “Chips olfativos biomiméticos: ¿Son la inteligencia artificial y los e‑narices la próxima canaria en una mina de carbón?”
En general, la investigación del Intel Lab está a la vanguardia de la innovación en semiconductores, incluyendo IA, computación cuántica, computación neuromórfica, etc. (discutimos los avances de Intel en computación cuántica en nuestro artículo “El estado actual de la computación cuántica”).
2. IBM
(IBM )
Otro pionero histórico en computación, semiconductores y diseño de chips, International Business Machines Corporation (IBM) también está investigando la computación neuromórfica.
También está desarrollando SyNAPSE: Computación neurosináptica escalable y energéticamente eficiente, apoyada por la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), para combinar “nanociencia, neurociencia y supercomputación para simular y emular las capacidades del cerebro en sensación, percepción, acción, interacción y cognición”.
También está a la vanguardia del desarrollo de computadoras cuánticas. Por ejemplo, desarrolló su computadora cuántica de 127 qubits “Eagle”, que fue seguida por un sistema de 433 qubits conocido como “Osprey” y el procesador cuántico superconductivo de 1 121 qubits “Condor”.
Fuente: All About Circuits
Junto con Intel, IBM está entre las empresas que impulsan de manera más agresiva nuevas formas de tecnologías de computación, como la cuántica y la neuromórfica, y probablemente se beneficiará de los avances logrados en la comprensión de la física atómica fundamental de materiales como el dióxido de vanadio.
