Nanoteknologia Työntää Laskennan Rajat Nopeudella ja Tehokkuudella

Edistyneet laskentateknologiat tekevät suurta edistystä kohti korkeaa nopeutta ja alhaista energian kulutusta.

Keskeisiä edistysaskeleita tällä alalla ovat uudet piinarkkitehtuurit, jotka käyttävät kerrospohjaisia suunnitelmia rakentaakseen nopeampia ja pienempiä siruja alhaisemmilla kustannuksilla. Samaan aikaan, fotoniikkalaskenta hyödyntää valoaallot tietojen käsittelyyn ja tallentamiseen. Valon nopeus on yksinkertaisesti ylitsepääsemätön, mikä tarjoaa korkean nopeuden ja alhaisen viiveen.

Sitten on biologinen laskenta, jossa tieto koodataan ja tallennetaan biologisiin soluihin, edistäen nanobioteknologian edistysaskeleita. Kvanttilaskenta tarjoaa myös merkittävää potentiaalia ratkaisemalla monimutkaisia ongelmia nopeammin kuin nykyiset tietokoneet hyödyntäen kvanttien superpositiota, lomittumista ja interferenssiä.

Lisäksi neuromorfinen laskenta jäljittelee aivojemme hermostojärjestelmiä suorittaakseen rinnakkaisia laskelmia; pilvilaskenta siirtää käsittelyn etä- tai virtuaalisiin sijainteihin; ja reunalaskenta siirtää käsittelyn keskitetystä laitoksesta lähemmäs loppukäyttäjiä.

Kaikki nämä kehitykset laskentateknologiassa, jotka keskittyvät työkaluihin ja järjestelmiin tietojen käsittelyyn, tallentamiseen ja viestintään, ovat johtaneet ennennäkemättömiin edistysaskeliin aloilla kuten tekoäly (AI) ja data-analytiikka.

Käynnissä oleva tutkimus tällä alalla on johtanut jatkuvaan ja nopeaan innovaatiokierrokseen laskentatekniikoissa, ja tutkijat menevät nyt entistä syvemmälle saavuttaakseen parempia, nopeampia ja tehokkaampia tuloksia.

Läpäisy laserin nanoskaalan valmistuksessa piissä

Tutkijat Bilkentin yliopistosta, Turkista, saavuttivat äskettäin merkittävän läpäisyn kehittämällä tekniikkaa nanorakenteiden valmistamiseksi syvälle piisilautojen sisään. 

Uusi menetelmä mahdollistaa nanovalmistuksen piissä spatiaalisen valon moduloinnin ja laserpulssien avulla, luoden edistyneitä nanorakenteita, jotka hyödyttävät elektroniikkaa ja fotoniikkaa.

Tutkimus keskittyi piihin, joka on elektroniikan, fotoniikan ja fotovoltaiikan perusta. Puolijohteena piin sähkönjohtavuus on eristeen ja puhtaan johtimen välillä. Se on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine, omaa sekä metallisia että ei‑metallisia ominaisuuksia. Lisäksi piin erinomaiset sähköominaisuudet, mukaan lukien sen suhteellisen pieni energiaväri, tekevät siitä tärkeän materiaalin puolijohdeteollisuudessa.

Kuitenkin piillä on rajoitettu pintatasoiseen nanovalmistukseen olemassa olevien litografiatekniikoiden aiheuttamien vaikeuksien vuoksi. Nykyiset menetelmät eivät pysty läpäisemään waferin pintaa aiheuttamatta muutoksia tai rajoittuvat laserlitografian resoluutioon. Lisäksi nykyiset tekniikat eivät salli tarkkaa modulointia syvällä waferin sisällä. 

Jos laitteet voitaisiin valmistaa suoraan bulkin sisällä ilman waferin ylä- tai alapinnan muuttamista, se asettaisi uuden standardin.

Tietenkin se tarkoittaa näiden yli 1‑mikronin valmistusresoluution rajan haasteiden ylittämistä samalla saavuttaen monidimensionaalisen nanoskaalan hallinnan waferin sisällä. Tällainen edistys olisi kuin taikuutta, mahdollistaen 3D‑nanofotonisen uudet toiminnot ja johtamalla metasurfaceihin Si:n sisällä.

Viimeisin tutkimus hyödynsi spatiaalisesti moduloituja laser‑säteitä ja anisotrooppista palautetta esimuodostetuista alusrakenteista tämän saavuttamiseksi. Tämä mahdollisti tiimille hallitun nanovalmistuksen kyvyn Si:n sisällä manipuloimalla materiaalia nanoskaalalla. 

Selventääkseen Bilkentin tiimi käsitteli haasteita monimutkaisten optisten vaikutusten kanssa waferin sisällä ja laservalon diffraktiorajan rajoituksia hyödyntämällä ainutlaatuista laserpulssia, joka luotiin spatiaalista modulointia käyttäen. Spatiaalisti moduloidut laserpulssit vastaavat Bessel‑funktiota. 

Optiset sirontavaikutukset, jotka olivat estäneet energian tarkkaa depostointia, voitettiin erityisen laser‑säteen ei‑diffraktio‑ominaisuudella. Tämä ei‑diffraktio‑ominaisuus luodaan edistyneillä holografisilla projektiotekniikoilla, jotka mahdollistavat energian tarkan lokalisoinnin. Tämä johtaa riittävän korkeaan paineeseen ja lämpötilaan muokata materiaalia pienessä tilavuudessa. 

Professori Onur Tokelin, fysiikan laitoksen mukaan:

“Lähestymistapamme perustuu laserpulssin energian lokalisointiin puolijohdemateriaalissa äärimmäisen pieneen tilavuuteen, jolloin voidaan hyödyntää esiin nousevia kentän vahvistusvaikutuksia, jotka ovat analogisia plasmoniikassa havaittuihin. Tämä johtaa alawavialiseen ja monidimensionaaliseen hallintaan suoraan materiaalin sisällä.”

Hän lisäsi:

“Voimme nyt valmistaa piin sisään upotettuja nanofotonisia elementtejä, kuten nanogriittejä, joilla on korkea diffraktiotehokkuus ja jopa spektrinen hallinta.”

Tämä seurasi syntyvän siementämisvaikutuksen, jossa alusrakenteessa tapahtuvat nano‑tyhjät loivat vahvan kentän vahvistuksen lähiympäristössään. Kun se on vakiintunut, syntynyt kentän vahvistus ylläpitää itseään, mikä tarkoittaa, että aikaisempien nanorakenteiden luominen auttaa valmistamaan myöhempiä nanorakenteita. 

Samaan aikaan laserin polarisaation käyttö antoi tutkijoille lisähallintaa nanorakenteiden kohdistuksen ja symmetrian suhteen nanoskaalassa, mikä mahdollistaa tarkkojen erilaisien nano‑arraysien kehittämisen.

“Hyödyntämällä laser‑materiaali‑vuorovaikutusjärjestelmässä havaittua anisotrooppista palautemekaniikkaa, saavutimme polarisaatio‑ohjatun nanolitografian piissä.”

– Tutkimuksen pääkirjoittaja, tohtori Asgari Sabet 

Tämä uusi valmistusmenetelmä on saavuttanut ominaisuuskokoja jopa 100 nm, mikä on suuri parannus perinteisiin menetelmiin verrattuna. 

Tämä tutkimus voi aiheuttaa merkittäviä vaikutuksia nanoskaalan järjestelmiin, joilla on erityisiä rakenteita, osoittamalla laajamittaista tilavuusnanorakentamista monidimensionaalisella hallinnalla ja ominaisuuksilla, jotka ylittävät diffraktiorajan. Tutkijoiden mukaan tulevaisuuden mahdolliset edistysaskeleet, jotka johtuvat tästä tutkimuksesta, voivat sisältää metamateriaaleja, metasurfaceja, informaation prosessointisovelluksia ja fotonisia kiteitä.

Tutkimus osoittaa myös merkittävää potentiaalia integrointiin piisirun järjestelmiin, ja esitelty nanogriitti‑kyky on askel kohti tätä tavoitetta. Tutkimus huomauttaa, että se myös muodostaa ensimmäisen monikerroksisen Si‑fotonisen.

Kaiken kaikkiaan tutkimus on esitellyt “uuden valmistusparadigman piille. Kyky valmistaa nanoskaalassa suoraan piin sisällä avaa uuden aikakauden kohti entistä syvempää integraatiota ja edistynyttä fotoniikkaa,” sanoi professori Tokel. Seuraava askel on tutkia, voidaanko täydellinen 3D‑nanovalmistus Si:ssä saavuttaa. 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten edistynyt nanofotonikka auttaa meitä rakentamaan paremman älypuhelimen.

Nanomateriaalit Avaa Tien Seuraavan Sukupolven Laskennalle

Kuten yllä näimme, tutkijat tähtäävät nanorakenteisiin parempien tulosten saavuttamiseksi. Nanoteknologia käsittelee aineen hallintaa nanoskaalassa, joka vaihtelee 1–100 nanometrin välillä. 

Tällaisessa pienessä mittakaavassa voimme kokea materiaalien ainutlaatuisia ominaisuuksia ja käyttäytymistä, mikä mahdollistaa tutkijoiden ja insinöörien manipuloida niitä erilaisiin sovelluksiin. Tämän seurauksena nanoteknologialla on laajat vaikutukset monilla teollisuudenaloilla, kuten energia, elektroniikka, lääketiede ja materiaalitiede.

Suuren potentiaalin kanssa maailman merkittävimpien haasteiden ratkaisemiseksi, nanoteknologia on kehittynyt nopeasti jatkuvien edistysaskelten ja läpimurtojen myötä, erityisesti laskennassa ja elektroniikassa. Nanoteknologia on itse asiassa merkittävästi edistänyt näitä aloja, mikä on johtanut nopeampiin, pienempiin ja kannettavampiin järjestelmiin.

Esimerkiksi nanomateriaalit kuten grafiini ja hiilinanoputket ovat osoittaneet lupaavuutta joustavien ja läpinäkyvien elektroniikkalaitteiden luomisessa.

Nanorakenteet ovat mullistaneet puolijohteiden ja laskennan aloja parantamalla materiaalien sähköisiä, optisia ja magneettisia ominaisuuksia niiden massamuotoihin verrattuna.

Tässä yhteydessä edistystä tehdään kvanttilaskennassa ja -viestinnässä nanoskaalan kvanttipikseleiden avulla. Lisäksi tutkimus jatkuu kehittäen nanomateriaaleja suurikapasiteettisiin, nopeasti lataaviin akkuihin ja superkondensaattoreihin. Samaan aikaan nanoskaalan valmistustekniikoiden edistys mahdollistaa miniaturisoitujen laitteiden ja komponenttien luomisen voimakkaalla suorituskyvyllä.

Mahdollistamalla pienempien ja tehokkaampien laitteiden, kuten nanoskaalan transistoreiden ja muistikomponenttien, kehittämisen, nanoteknologia on valtavasti lisännyt laskentatehoa ja tallennuskapasiteettia, työntäen Moore’n lain rajoja.

Moore’n laki, johon viitataan tässä, muotoiltiin Intelin perustajajäsenen Gordon Mooren toimesta, joka esitti, että transistorien määrä yhdellä sirulla kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein, kustannusten pysyessä lähes ennallaan.

Jos tarkastelemme tätä, transistorit alkoivat korvata tyhjiöputket 1950‑luvulla elektronisten piirikomponenttien keskeisinä osina. Alkuperäiset transistorit olivat tyypillisesti senttimetriä pitkiä, mutta ne mitattiin pian millimetreinä.

Siirryttäessä tämän vuosituhannen alkuun, koko pieneni 130–250 nanometriin, ja noin vuosikymmen sitten se pieneni enää 14 nanometriin. Vuonna 2015 IBM puolitti tämän koon luomalla ensimmäisen seitsemännanometrisen transistorin. Tämä matka kohti pienempiä, mutta parempia ja nopeampia transistoreita jatkuu edelleen.

Viime vuosina pienin tuotannossa oleva transistorikoko on pienentynyt 3 nm:iin, ja IBM ilmoitti 2 nm transistorin toukokuussa 2021, mikä on pienempi kuin DNA:n helmi. Keskitymme transistorien, koska ne ovat perusta lähes jokaisen elektronisen laitteen energianlähteelle.

Mielenkiintoista on, että mitä pienemmiksi transistorit tulevat, sitä vähemmän energiaa ne kuluttavat ja sitä nopeampia ne ovat. Kuitenkin monet uskovat, että pienentämistä voidaan jatkaa vain rajallisesti, ja lopulta emme pysty jatkamaan pienentämistä. Silloin uusia nanomateriaaleja ja edistynyttä teknologiaa tarvitaan laitteidemme parantamiseen.

Tämä on saanut tutkijat siirtymään teknologioihin kuten neuromorfiset järjestelmät, jotka vaativat uusien keinotekoisten neuronien ja synapsien kehittämistä, jotka voivat ylittää perinteisten CMOS (komplementaarinen metalli‑oksidi‑semiconductori) piirikytkentöjen suorituskyvyn.

Käyttämällä keinotekoisia neuroneja ja synapseja, nämä tietokoneet simuloivat ihmisaivojen tiedonkäsittelyä. Tämä mahdollistaa niiden tunnistaa kuvioita, ratkaista ongelmia ja tehdä päätöksiä tehokkaammin ja nopeammin kuin nykyiset tietokoneet. Vaikka tämä ala on vielä uusi, se osoittaa lupausta kognitiivisessa laskennassa, autonomisissa ajoneuvoissa ja tekoälyssä, joissa nopeus ja tehokkuus ovat tärkeitä.

Tutkijat tutkivat myös uusia materiaaliluokkia, kuten kvanttitäppäitä ja grafiinia, täyttääkseen edistyneen laskennan tarpeet. Äskettäiset tutkimukset ovat tutkineet Quantum Dot Cellular Automata (QCA) suunnitellakseen nanoskaalan tietokoneita, jotka parantavat sekä nopeutta että tehokkuutta.

Grafiinin lisäksi 2D‑materiaalit, kuten siirtymämetallien dikalkogenidit (2D‑TMD:t), otetaan huomioon puolijohteiden käytössä. Tämä materiaalin laaja pinta‑ala mahdollistaa tehokkaan valon vuorovaikutuksen ja parantaa sen soveltuvuutta valon manipulointiin, kun taas sen epätavallinen varauskantajien liikkuvuus parantaa laitteiden suorituskykyä. Sen kestävyys tekee siitä kestävän erilaisiin todellisiin sovelluksiin.

Kuten yllä mainittiin, viimeisin tutkimus, joka saavuttaa nanovalmistuksen piissä, pyrkii myös mahdollistamaan seuraavan sukupolven piipohjaisten sirujen kehittämisen, joilla on paljon suurempi laskentateho.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon johtavista yrityksistä, jotka edistävät nanoteknologian alaa.

Yritykset, jotka Työskentelevät Edistyneen Laskentateknologian Parissa

Jos tarkastelemme alalla toimivia yrityksiä, Applied Materials (AMAT ) (AMAT) tarjoaa nanovalmistusteknologiaa edistyneille puolijohteille. Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) kehittää korkean suorituskyvyn laskentalaitteistoa ja tutkii edistyneitä laskentateknologioita.

NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), joka tunnetaan GPUistaan, on myös voimakkaasti sijoittunut kvanttilaskentatutkimukseen. Nvidia‑supertietokoneita käytetään kvantti‑annealointijärjestelmien kehittämiseen tiettyjen ongelmien ratkaisemiseksi. NVIDIA, jota usein kutsutaan ‘AI‑suosikiksi’, on nähnyt osakkeidensa nousun 157 % kuluvan vuoden alusta (YTD).

Yritys kirjasi ennätysmyyntiä 26 miljardia dollaria 1Q24:lla, 18 % enemmän kuin edellisellä neljänneksellä ja 262 % enemmän kuin vuosi sitten. Yhtiö ilmoitti myös kymmenen‑yhdeksän osakkeiden osakkeiden jaon 7. kesäkuuta 2024, ja nosti neljännesvuosittaisen osinkonsa 0,01 dollariin.

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka ovat edelläkävijöitä edistyneen laskennan, nanoteknologian ja sirujen suunnittelun innovaatioissa.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) on suosittu teknologiayritys, joka on mukana pilvi‑ ja AI‑mahdollisuuksissa. Sen fokus on kvanttilaskennan tutkimuksessa ja puolijohdeteknologian edistämisessä.

Viimeisen vuoden aikana yritys esitteli uusimman sukupolven kvanttiprosessorinsa, IBM Heronin, jossa on 133 kiinteätaajuusista kubittia ja kolmesta viiteen kertainen laitteen suorituskyvyn parannus.

IBM Quantumin varapuheenjohtajan Jay Gambettan mukaan:

“Kvanttilaskennan täysi potentiaali tulee voimaan generatiivisen AI:n avulla, joka yksinkertaistaa kehittäjäkokemusta.”

Yrityksellä on markkina‑arvo 180,57 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät 195,51 dollaria, 19,86 % YTD. Sen osinkotuotto on 3,41 %. 2Q24:lla IBM raportoi 15,8 miljardia dollaria liikevaihtoa, 2 % kasvua edellisvuodesta.

Vapaa kassavirta oli samalla 2,6 miljardia dollaria, jonka yritys nosti 12 miljardiin koko vuoden näkymässä, ja se palautti 1,5 miljardia dollaria osakkeenomistajille osinkojen muodossa tarkastelujakson aikana. Yritys päätti neljänneksen 16 miljardia dollaria käteisvaroja, rajoitettua käteistä ja likvidejä arvopapereita. Vaikka IBM:n asiantuntemus yritys‑AI:ssa ja sen generatiivinen AI‑liiketoiminta on kasvanut yli 2 miljardia dollaria Watsonx:n lanseerauksesta vuosi sitten, IBM:n toimitusjohtaja Arvind Krishna:

“Meillä oli vahva toinen neljännes, joka ylitti odotuksemme.”

#2. Intel Corporation

Intel (INTC ) Corporation (INTC) innovoi sirujen suunnittelua ja tutkii neuromorfista sekä kvanttilaskentaa. Tämä puolijohdevalmistaja on x86‑mikroprosessoreiden keksijä, jotka löydetään useimmissa henkilökohtaisissa tietokoneissa. Yritys työskentelee tällä hetkellä regaining its edge globaaleissa sirunvalmistuksessa, jolle se sai rahoitusta Yhdysvaltain hallituksen myönteisten avustusten ja lainojen kautta.

Neuromorfisen tutkimuksen kautta Intel pyrkii nopeuttamaan adaptiivisen AI:n tulevaisuutta suunnittelemalla optimoitua laitteistoa seuraavan sukupolven AI‑ohjelmistojen kanssa. Lisäksi Intel on perustanut Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Tämä globaali yhteistyö yhdistää tiimejä tutkimuslaitoksista, akateemisista ryhmistä, yrityksistä ja hallituksen laboratorioista edistääkseen aivojen inspiroiman AI:n rajaa.

Yrityksellä on markkina‑arvo 89,56 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät 21,06 dollaria, 58,23 % laskua YTD. 2Q24:lla Intel raportoi “pettyneitä” taloudellisia tuloksia, liikevaihto 12,8 miljardia dollaria, 1 % laskua vuosi vuodelta, kun taas ei‑GAAP EPS oli 0,02 dollaria. Yritys ilmoitti keskeytetystä osingosta alkaen vuoden 2024 neljännestä neljänneksestä ja korosti “pitkän aikavälin sitoutumista kilpailukykyiseen osinkoon, kun kassavirrat paranevat kestävästi korkeammille tasoille.”

Yhteenveto

Advanced computing, which focuses on new methods and technologies that drive innovative computing methods, is attracting significant interest from companies, researchers, engineers, and governments alike. After all, it is fundamental to cybersecurity, financial markets, and many other critical infrastructures. Moreover, the widespread use of AI is supported by advanced computing power, along with data, algorithms, and microchips.

Viimeisten vuosikymmenten aikana laskentateknologian edistysaskeleet ovat merkittävästi parantaneet säännöllisesti käyttämämme laitteiden suorituskykyä ja toiminnallisuutta, mikä on näin ollen ruokkinnut digitaalisen talouden kasvua. Ottaen huomioon sen syvä vaikutus yhteiskuntaan, jatkuva tutkimus ja kehitys ovat välttämättömiä vastaamaan energiatehokkaiden laskentatehtävien vaatimuksiin ja avaamaan tietä edistyneelle laskennalle, mahdollistaen tuotteiden ja palveluiden luomisen, jotka olivat aiemmin kuviteltavissa.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista nanoteknologiastokkeista.