Niobiumfosfidi voi tehdä datakeskuksista tehokkaampia ratkaisemalla materiaalin heikkokohdan

Uusi johtava materiaali tarvitaan nano-siruissa

Kun valmistetaan edistyneitä tietokonepiirejä, pääasiallinen teknologinen fokus on ollut transistorien koon pienentäminen ja kehittyneempien puolijohdemateriaalien luominen. Tämä on ollut menestyksen taustalla yrityksissä kuten TSMC (TSM ), jotka ovat nyt saavuttamassa sirun solmuja 3 tai jopa 2 nm (nanometrin) mittakaavassa.

Kuitenkin tällä mittakaavalla ilmenee uusia ongelmia, jotka eivät liity puolijohteisiin. Yksi niistä on, että perinteiset johtavat materiaalit kuten kupari eivät johda sähköä hyvin, kun metallilanka käy liian ohueksi.

Tämä voi aiheuttaa sähkövirran pullonkauloja sirujen sisällä, mikä vähentää laskentatehoa ja kokonaistehokkuutta sekä aiheuttaa ylikuumenemista.

Siksi on merkittävä uutinen, että Stanfordin yliopiston, Ajou-yliopiston (Suwon, Etelä‑Korea) ja IBM Watson Research Centerin tutkijat ovat kehittäneet ultraohut materiaalin, joka johtaa sähköä paremmin kuin kupari näissä olosuhteissa.

He julkaisi löytönsä arvostetussa tieteellisessä lehdessä Science, otsikolla “Pintajohtavuus ja vähentynyt sähkön resistanssi ultraohutassa ei‑kiteisessä NbP‑semimetallissa¹”.

Kuparin korvaaminen tietojenkäsittelyssä

Koska sen hinta on suhteellisen alhainen ja sähköjohtavuus erinomainen, kupari on ollut pääasiallinen metalli sähköyhteyksissä ja myös keskeinen metalli akkuissa, sähköverkoissa ym.

Kuitenkin, koska kuparin johtavuus heikkenee nanoskaalassa alle 50 nm, tutkijat ovat etsineet vaihtoehtoja jo jonkin aikaa. Ongelma on, että tunnetut nanoskaalan johtimet vaativat äärimmäisen tarkkoja kiteisiä rakenteita, jotka täytyy muodostaa erittäin korkeissa lämpötiloissa.

Tämä ei sovi puolijohteille ja siruille, koska korkea lämpötila tuhoaisi hauraat piikomponentit.

Niinpä kilpailu käynnistyi löytää ultraohut johtava aine, joka ei perustu yksikiteisiin kalvoihin.

Niobiumfosfidi

Tutkijat työskentelivät niobiumfosfidilla, materiaalilla, joka tunnetaan ainutlaatuisista sähköominaisuuksistaan, kuten erittäin nopeista elektroneista ja erittäin korkeasta magnetoresistanssista. Sitä käytetään jo merkittävästi laser- ja suuriteho‑/korkeataajuus‑sovelluksissa.

Niobiumfosfidia kutsutaan topologiseksi semimetalliksi: tämä tarkoittaa, että vaikka koko materiaali voi kuljettaa sähköä, pinta on johtavampi kuin keskiosa.

Vähentääksemme käsitettä hieman, voimme sanoa, että mitä ohuempi niobiumfosfidikerros on, sitä suurempi osa on pintaa, lähes ilman “keskiosaa”. Tämän seurauksena voidaan odottaa, että mitä ohuempi niobiumfosfidi on, sitä johtavampi se tulee olemaan.

Ja juuri näin tutkijat havaitsivat.

“On ajateltu, että jos haluamme hyödyntää näitä topologisia pintoja, tarvitsemme hyviä yksikiteisiä kalvoja, jotka ovat todella vaikeita kerrostaa. Nyt meillä on toinen materiaaliluokka – nämä topologiset semimetallit – jotka voisivat mahdollisesti toimia tapana vähentää energian kulutusta elektroniikassa.”

Akash Ramdas – tohtorikoulutettava Stanfordissa

Tämä on erittäin uusi ala, ja fyysikot ovat alkaneet kokeilla topologisia semimetalleja vasta vuodesta 2015. Ja <5nm ohutta kalvoa ei ole koskaan aiemmin tuotettu ennen.

Alhaisempi lämpötila tietojenkäsittelyn sovelluksissa

Alhaisempi lämpötila tarkoittaa, että niobiumfosfidi on hieman epäjärjestäytynyt, sisältäen vain nanokiteitä amorfisessa matriisissa.

Lähde: Stanford Report

Lisäanalyysin perusteella vaikuttaa siltä, että korkea johtavuus johtuu johtavien kanavien muodostumisesta ultraohutun kalvon pinnalla.

Kalvo voidaan kerrostaa vain 400 °C (752 °F) lämpötilassa, mikä on riittävän alhainen vahingoittamaan lähellä olevia piitransistoreita tietokonesirussa. Tämä tekee siitä ihanteellisen materiaalin sirun sisäisten komponenttien yhdistämiseen alhaisella resistanssilla ja siten vähäisellä lämmöntuotannolla.

“Jos sinun täytyy tehdä täydellisiä kiteisiä johtoja, se ei toimi nanoelektroniikassa.

Mutta jos voit tehdä ne amorfisiksi tai hieman epäjärjestäytyneiksi ja ne silti antavat tarvitsemasi ominaisuudet, se avaa oven mahdollisille todellisissa sovelluksissa.”

Yuri Suzuki – Soveltavan fysiikan professori

Korkea johtavuus

Kun verrataan tavallisiin niobiumfosfidikalvoihin, 5 nm ohut kalvo oli 6‑kertainen johtavampi. Tämä oli myös alhaisempi kuin tavalliset metallit kuten kupari.

Kun paksuus oli 1,5 nm, materiaali oli kaksinkertaisesti johtavampi kuin kupari.

Tämä on siis todella ensimmäinen esimerkki ei‑kiteisistä, matalalämpötilaisista johtimista, jotka ylittävät tavallisten metallien johtavuuden nanoskaalassa.

Lähde: Stanford Report

“Todella korkean tiheyden elektroniikka tarvitsee erittäin ohuita metalliyhteyksiä, ja jos ne metallit eivät johda hyvin, ne menettävät paljon tehoa ja energiaa.

Paremmat materiaalit voisivat auttaa meitä kuluttamaan vähemmän energiaa pienissä johdoissa ja enemmän energiaa itse laskentaan.”

Eric Pop – Sähkötekniikan professori

Seuraavat askeleet

Seuraava askel on testata todellisessa sirussa, kuinka hyvin niobiumfosfidilanka toimii nanoelektroniikassa, ei pelkästään johtavuuden, vaan myös luotettavuuden ja sen integroinnin osalta valmistusprosessiin.

Tätä varten heidän täytyy ensin rakentaa mittakaavassa niobiumfosfidinanowire.

Toinen työ on tarkistaa, voisiko tätä konseptia toteuttaa paremmin muilla semimetalleilla, jotka saattavat toimia vielä paremmin kuin niobium.

“Jotta tätä materiaaliluokkaa voitaisiin ottaa käyttöön tulevassa elektroniikassa, meidän on tehtävä niistä vielä parempia johtimia. Tämän vuoksi tutkimme vaihtoehtoisia topologisia semimetalleja.”

Xiangjin Wu, tohtorikoulutettava Stanfordissa

Lämmön poisto on nyt yksi datakeskusten suurimmista energian kuluttajista, yhtä suuri kuin itse laskenta. Tämä on erityisen totta 5‑3 nm siruille, joita tarvitaan tekoälyn koulutukseen ja monimutkaisimpiin laskelmiin.

Joten pitkällä aikavälillä nanoskaalassa johtavien materiaalien käyttö on välttämätöntä, koska lämmöntuotanto on yhä suurempi ongelma edistyneitä siruja käyttävissä datakeskuksissa.

On myös mahdollista, että ultraohut niobiumfosfidikalvot löytävät muita sovelluksia edistyneissä teknologioissa, erityisesti siellä, missä materiaalia jo käytetään, kuten laser- tai telekommunikaatiolaitteissa.

Sijoittaminen edistyneisiin johtaviin materiaaleihin

Kun edistyneet sirut ja puolijohde‑elementit pienenevät, ala keskittyy muutamaan suureen valmistajaan kuten TSMC (TSM ), Intel (INTC ) tai Nvidia (NVDA ) (seuraa linkkejä saadaksesi omistettuja raportteja kullekin näistä yrityksistä).

Voit sijoittaa puolijohteisiin liittyviin yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, sekä monissa muissa maissa.

Tai, jos pidät monipuolisemmasta lähestymistavasta, voit sijoittaa puolijohteisiin liittyviin ETF:iin kuten iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH) tai Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Voit myös oppia lisää puolijohteiden valmistuslaitteiden toimitusketjusta ja keskeisistä yrityksistä artikkelissa “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Laskennan edistyneen materiaalin yritys

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) oli johtava voima ensimmäisen pääkoneen kaupallistamisessa. Se oli myös pääasiallinen teollinen kumppani Stanfordin tutkijoille heidän niobiumfosfidiprojektissaan.

Yritys on jäänyt jälkeen tuotantomäärissä verrattuna muihin teknologiavetoihin kuten Apple (AAPL ), TSMC ja NVIDIA.

Se on kuitenkin uuden laskentamateriaalien ja -teknologian kehityksen eturintamassa.

IBM on johtavana johtavien teknologioiden kehityksessä, ja topologiset semimetallit ovat vain yksi näistä aloista. Näin ollen se on edellä paitsi uusissa ultraohutuissa johtavissa materiaaleissa, myös korkean lämpötilan suprajohtimissa.

Tällaiset suprajohtimet ovat ratkaisevia kvanttitietokoneille. Äskettäin IBM kehitti “Condor”, 1 121 suprajohtavan kubitin kvanttiprosessorin perustuen cross‑resonance‑porttiteknologiaan, yhdessä “Heron”‑kvanttiprosessorin kanssa, joka on alan aivan kärjessä.

Lähde: IBM

IBM on mukana useimmissa muissa huippuinnovaatioissa laskennassa ja puolijohdeteollisuudessa. Näihin kuuluvat johtavat orgaaniset materiaalit, neuromorfinen laskenta, fotoniikka, jne.

Lähde: IBM

Osittain IBM on muuttunut “patenttiyhtiöksi”, jolla on asiantuntemusta uusien laskentamenetelmien kehittämisessä ja niiden lisensoinnissa teollisuudelle.

Tähän mennessä IBM vaikuttaa erittäin päättäväiseltä hallitsemaan mahdollisimman monta keskeistä patenttia kaikissa ei‑piirialustoissa, jäljitellen menestystään, kun se merkittävästi edisti puolijohdeteollisuuden kasvua nykyiseksi jättiläiseksi.

Niobiumfosfidi ja muut topologisiin semimetalleihin liittyvät teknologiat sopisivat tähän strategiaan, kun IBM kehittää teknologiaa korvaamaan kuparin näissä tapauksissa ja sitten lisensoi sen suurille siruvalmistajille valmistusvaiheissa.

Tutkimusviite:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). Pintajohtavuus ja vähentynyt sähkön resistanssi ultraohutassa ei‑kiteisessä NbP‑semimetallissa. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096}