Pysyminen Moore’n lain tahdissa aktiivisten alustoiden ja neuromorfisen laskennan avulla

Uusia puolijohteita tarvitaan

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.

Puolijohdeteollisuus on viime vuosikymmeninä jatkuvasti kasvanut merkitykseltään, siirtyen teollisuuden pääkoneista lähes jokaisen koneen ja laitteen olennaiseksi osaksi nykyään.

Tätä kasvua on ajanut puolijohteiden lisääntyvä monimutkaisuus ja miniaturisaatio. Kuitenkin piin perustavien fyysisten ominaisuuksien vuoksi piipohjaiset puolijohteet alkavat kohdata rajoja.

Onneksi pii ei ole ainoa materiaali, jolla on puolijohdeominaisuudet, eli kyky vaihtaa tilasta, jossa se toimii eristeenä (ei johda sähköä), johtajaan (johtaa sähköä).

Uusi tutkimus paljastaa uusia näkemyksiä innovatiivisten puolijohdemateriaalien, kuten vanadiinidioksidin, perustavanlaatuisesta fysiikasta sekä aiemmin havaitsemattomista titaanidioksidin puolijohdeominaisuuksista.

The research was conducted by a multi-disciplinary research effort carried out by researchers at the Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology, and Germany’s Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin.

Vanadiini & Moore’n laki

Mikä tekee vanadiinidioksidista erinomaisen ehdokkaan uuteen puolijohdeteknologiaan, on vanadiinin kyky vaihtaa metallin — “1”‑tilan — ja eristeen — “0”‑tilan — välillä vain biljoonanosan sekunnissa.

Tämä ilmiö tunnetaan nimellä “metalli‑eriste‑siirtymät”. Metallin‑eriste‑siirtymän nopeus mahdollistaa nopeammat ja pienemmät elektroniikkaratkaisut verrattuna perinteiseen piipohjaiseen elektroniikkaan.

Tämä on olennaista, jos haluamme nähdä puolijohdeteollisuuden pysyvän Moore’n lain tahdissa.

Vuonna 1965 muotoiltu Moore’n laki on empiirinen laki, jonka mukaan puolijohdeteollisuus kaksinkertaistaa transistorien määrän sirussa 100 % kahden vuoden välein. Tämä on pysynyt voimassa vuosikymmeniä, mutta piisirujen perustavanlaatuiset rajoitukset tarkoittavat, että uusia materiaalityyppejä tarvitaan pian lain jatkumiseksi.

Moore’n laki on sovellus puolijohdeteollisuuteen vuodelta 1936 peräisin olevasta Wrightin laista, jonka mukaan valmistuskustannukset laskevat jopa 15 % jokaisesta tuotannon kaksinkertaistumisesta (alkuperäisesti ilmailualalle kehitetty).

Wrightin laki on enemmän sääntö mittakaavaetujen ja teollisen tehokkuuden suhteen tuotannon kasvattamisessa. Samaan aikaan Moore’n laki koskee teknologista innovaatiota ja sitä ohjaavat edistysaskeleet perustavanlaatuisen fysiikan ja nanometrisen insinöörityön ymmärtämisessä.

Uusia näkemyksiä

Edistyneet menetelmät

Aiemmin vanadiinidioksidia on tarkasteltu ja havaittu vain erillisenä komponenttina. Vaikka se on hyödyllistä, se rajoitti ymmärrystä siitä, mitä oikeasti tapahtuisi puolijohteessa, joka perustuu vanadiinidioksidiin.

Advanced Materials -lehdessä julkaistussa artikkelissaan (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition”) tutkijat tekivät useita uusia löytöjä.

He käyttivät röntgendiffraktiomikroskopiaa tarkkailemaan muutoksia reaaliajassa ja tarkasti atomitasolla.

He asettivat vanadiinidioksidin titaanidioksidialustan päälle, kuten se olisi todellisessa puolijohdepiirissä, sen sijaan että tutkivat sitä erillisenä.

Lähde: Advanced Materials

This was a massive endeavor, with the study itself taking more than 10 years and involving many research teams and a multi-disciplinary approach.

“Kun nämä asiantuntijat yhdistettiin ja jaoimme ymmärryksemme ongelmasta, pystyimme ylittämään yksittäisen asiantuntemuksemme rajan ja löytämään jotain uutta.” – Roman Engel-Herbert, Director of the Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin

Vanadiinin liikkeet

Tutkijat havaitsivat ensimmäistä kertaa, että vanadiinidioksidi pullistui ylöspäin muuttuessaan metalliksi. Tämä oli ristiriidassa teoreettisten ennusteiden kanssa, jotka olettivat materiaalin kutistuvan.

Lähde: Advanced Materials

He havaitsivat, että aiemmin havaitsematon vaikutus puuttuvista happiatomeista oli vastuussa materiaalin turpoamisesta.

“Nämä neutraalit happivakot sisältävät kahden elektronin varauksen, jonka ne voivat vapauttaa, kun materiaali vaihtaa eristeestä metalliksi. Jäljelle jäävä happivako on nyt varautunut ja turpoaa, mikä aiheuttaa havaittua yllättävää turpoamista laitteessa.” Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Titaanialustan odottamaton toiminta

Puolijohteiden valmistuksessa vallitsee lähes dogma, jonka mukaan vain alustan päällä oleva ohut puolijohdekerros on aktiivinen, kun siihen kohdistetaan virta. Alusta itse on sähköisesti ja mekaanisesti passiivinen materiaali.

Tässä tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että näin ei ole vanadiinidioksidipuolijohteiden kohdalla.

Sen sijaan aiemmin inerttiä pidetty titaanidioksidi turpoaa myös samankaltaisesta puuttuvien happiatomien mekanismista.

Lisäksi titaanidioksidin yläkerros käyttäytyi kuin vanadiinidioksidi, toimien myös puolijohteena.

This new discovery will be crucial in building prototypes of commercial vanadium dioxide semiconductors.

Sovellukset

Nopeammat, paremmat puolijohteet

Vanadiinidioksidia pidetään erittäin lupaavana materiaalina, joka voi viedä puolijohdeteknologian seuraavalle tasolle, johtuen muutamista perustavanlaatuisista ominaisuuksista:

• Eriste‑metalli‑siirtymä (IMT) tapahtuu äärimmäisen nopeassa, sekunnin biljoonanosassa, mikä avaa tien erittäin nopeille laskelmille.
• Vanadiinidioksidilla on voimakkaasti korreloituja elektronisia efektejä. Yksinkertaisesti tämä tarkoittaa, että elektronien välistä hylkimistä ei voida sivuuttaa, kuten nykyisin piipohjaisessa elektroniikassa tehdään.
  • Tämä puolestaan avaa mahdollisuuksia uusiin toimintoihin, kuten korkean lämpötilan suprajohtavuuteen ja parannettuihin magneettisiin ominaisuuksiin.

Neuromorfinen laskenta

Positiivisen palautesilmukan löytäminen, joka johtuu puuttuvien happiatomien aiheuttamasta vako-ionisaatiosta, pitäisi lyhentää IMT-aikaa entisestään.

Tällä on erittäin tärkeitä seurauksia, sillä se tekee vanadiinidioksidista mahdollisesti oikean materiaalin uudelle laskentatyypille, jota kutsutaan neuromorfiseksi laskennaksi.

Neuromorfinen laskenta on menetelmä, jossa tietokonejärjestelmät ammentavat inspiraatiota elävien järjestelmien aivoista ja niiden neuroneista.

Tämä eroaa nykyisistä tekoälyn ja suurten kielimallien (LLM) käyttämistä neuroverkoista, jotka pyrkivät jäljittelemään neuroneja, mutta silti perustuvat perinteisiin piitransistoreihin ja ovat enimmäkseen ohjelmistopohjaista koneoppimista.

Näin neuromorfiset sirut voisivat oppia laitteistotasolla. Ja binäärisen (0 ja 1) sijaan ne tuottaisivat signaalipiikkejä.

Lähde: Tech Target

Kiitos erittäin nopeaan eriste‑metalli‑siirtymään, vanadiinidioksidi, jonka aktiivinen alusta on titaanidioksidi, voitaisiin käyttää Mott-neuronin kaltaisten piikkiosillaattorien luomiseen, jotka pystyvät laitteistotasolla jäljittelemään biologisia neuroneja.

Yleiskatsaus

Vanadiinidioksidipuolijohteet, neuromorfinen laskenta ja Mott-neuronin kaltaiset piikkiosillaattorit ovat materiaalitieteen ja puolijohdesuunnittelun äärirajalla, ja niiden kaupallinen käyttökelpoisuus on todennäköisesti vähintään vuosikymmenen päässä.

Tämä vuosikymmen on juuri se aika, jolloin meidän tulisi odottaa piipohjaisten puolijohteiden epäonnistuvan Moore’n lain ylläpitämisessä.

Moore’n laissa ei ole mitään, mikä velvoittaisi puolijohteet olevan piipohjaisia. Se on pikemminkin empiirinen havainto, että niin kauan kuin on kysyntää tehokkaammille siruille, tutkijat oppivat yhä enemmän puolijohdefysiikasta yhä pienemmällä mittakaavalla.

Kun otetaan huomioon, että tutkimme nyt vanadiinia ja titaanidioksidia reaaliajassa atomitasolla, vaikuttaa järkevältä odottaa Moore’n lain pysyvän voimassa ja materiaalien, kuten vanadiinin, olevan seuraava askel puolijohdesuunnittelussa.

Ja tietysti muutkin innovatiiviset laskentatavat, kuten fotoniikka tai kvanttilaskenta, voivat myös auttaa pitämään Moore’n lain oikealla kurssilla.

Edistyneet puolijohdeyritykset

1. Intel

Intel (INTC ) on puolijohdealan jättiläinen, joka on vuosien varrella kehittynyt alun perustiosta tieteelliseksi ja innovaatiokeskukseksi, menettäen valmistusvolyymin huippuaseman esimerkiksi Taiwanin TSMC:lle.

Intel on neuromorfisen laskennan johtaja, muun muassa Loihi 2 -sirullaan.

Lähde: Intel

Se on myös perustanut Intel Neuromorphic Research Community -yhteisön, johon kuuluu Pennsylvanian osavaltion yliopisto, joka osallistui tähän äskettäiseen vanadiinidioksiditutkimukseen, sekä yli 75 muuta tutkimusryhmää.

Lähde: Intel

Intel on myös erittäin aktiivinen biologisen aistin jäljittelemisessä toistamalla aivojemme toimintaa (itse asiassa neuromorfisen laskennan haara), mistä keskustelimme tarkemmin artikkelissamme “Biomimeettiset hajuaistisirut: Ovatko tekoäly ja e-nenäti seuraava kanariali hiilikaivoksessa?”

Kaiken kaikkiaan Intel Labin tutkimus on puolijohdeinnovaation eturintamassa, mukaan lukien tekoäly, kvanttilaskenta, neuromorfinen laskenta ym. (käsittelemme Intelin edistysaskeleita kvanttilaskennassa artikkelissamme “Kvanttilaskennan nykytila”).

2. IBM

Toinen historiallinen edelläkävijä tietojenkäsittelyssä, puolijohteissa ja sirusuunnittelussa, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) tutkii myös neuromorfista laskentaa.

Se kehittää myös SyNAPSE: Skaalautuvaa energiatehokasta neurosynaptista laskentaa, jota tukee Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), yhdistääkseen ”nanotieteen, neurotieteen ja supertietokoneen” aivojen kykyjen simulointiin ja jäljittelemiseen tuntemuksessa, havainnoinnissa, toiminnassa, vuorovaikutuksessa ja kognitiivisissa prosesseissa.

Se on myös kvanttitietokoneiden kehityksen eturintamassa. Esimerkiksi se kehitti 127‑kvanttibittisen “Eagle” -kvanttitietokoneen, jota seurasi 433‑kvanttibittinen järjestelmä nimeltä “Osprey” ja 1 121‑superjohtava kvanttibitti -kvanttiprosessori “Condor”.

Lähde: All About Circuits

Yhdessä Intelin kanssa IBM on yritysten joukossa, jotka ajavat eniten aggressiivisesti uusia laskentateknologioita, kuten kvantti- ja neuromorfista laskentaa, ja se todennäköisesti hyötyy edistysaskeleista, jotka on tehty materiaalien, kuten vanadiinidioksidin, perustavanlaatuisen atomifysiikan ymmärtämisessä.