Top 10 ei-silikonilaskentayritystä

Siliconista uusiin laskennan muotoihin

Laskentateollisuus syntyi, kun mekaaniset laitteet alkoivat suorittaa laskentaa, joka tähän asti oli varattu ihmisen aivoille. Mutta vasta tyhjiöputkien ja myöhemmin transistorien avulla syntyivät oikeat tietokoneet.

Seuraava vallankumous oli piisirut, joiden transistoritiheys kasvoi jatkuvasti laskentatehon kasvaessa.

Lähde: Mobile First

Tällä hetkellä puolijohdeteollisuus kokeilee yhä voimakkaampia järjestelmiä piisirujen valmistamiseksi 5 nm ja jopa 2 nm alueelle. Tämä tuo meidät yhä lähemmäs ongelmaa, sillä jossain vaiheessa yhä pienempien piitransistorien käyttö ei enää ole mahdollista.

Yksi yksittäinen piinin atomi on teoreettinen raja, mutta käytännön insinöörihaasteet todennäköisesti aiheuttavat sen tapahtuvan ennen tuota kynnystä.

Joten, pysähtyykö laskentateho tästä eteenpäin? Todennäköisesti ei.

Ratkaisu kuitenkin on suorittaa laskenta täysin uusilla periaatteilla. On olemassa monia mahdollisia tapoja toteuttaa laskentaa ilman piitransistoreita. Tarkastelemme lupaavimpia ideoita menemättä teknisiin yksityiskohtiin.

Ei-silikonipolijohteet

Puolijohde on materiaali, joka pystyy vaihtamaan johtavuuden (siirtää sähkövirran, luo binääridatan “1”) ja eristeen (estää sähkövirran, luo binääridatan “0”) välillä.

Siliconia on perinteisesti käytetty puolijohdisirujen valmistusmateriaalina, mutta nykyään tutkitaan monia vaihtoehtoja. Kaikki materiaali, jolla on niin sanottu energiavälijän (band gap) ominaisuus, voi olla hyvä ehdokas.

Lähde: Energy Education

Vanadiinioksidi

Pitkään vanadiinioksidia on pidetty hyvänä vaihtoehtona silikonin korvaamiseen. Tämä johtuu siitä, että se käy läpi ilmiön, jota kutsutaan metallin‑eriste‑siirtymäksi, ja se tapahtuu vain triljoonasosan sekunnissa.

Metallin‑eriste‑siirtymän nopeus mahdollistaa nopeammat ja pienemmät elektroniikkaratkaisut verrattuna perinteiseen silikonipohjaiseen elektroniikkaan.

Viimeaikainen tutkimus on onnistunut tutkimaan vanadiinioksidia, joka on kerrostettu titaanidioksidin alustalle.

He myös havaitsivat, että titaanidioksidi voi toimia puolijohteena. Tämä löytö voisi mahdollistaa neuromorfaalisten sirujen luomisen, jotka oppivat laitteistotasolla ottaen inspiraatiota elävien järjestelmien aivoista ja neuroneista.

Kiitos erittäin nopeaan eriste‑metalli‑siirtymään, vanadiinioksidi aktiivisella titaanidioksidi‑alustalla voitaisiin käyttää Mott‑neuronin kaltaisten spikatoisten oskillaattorien luomiseen, jotka pystyvät laitteistotasolla jäljittelemään biologisia neuroneja.

Grafeeni

Toinen hyvä ehdokas on grafeeni, 2‑ulotteinen materiaali, jolla on poikkeuksellisen korkea sähkönjohtavuus. Se on jopa mahdollinen suprajohtaja ja “ihmemateriaali”, jonka ominaisuuksia edelleen tutkitaan reaaliajassa.

Voit lukea lisää ensimmäisistä onnistuneista yrityksistä tehdä grafeenista puolijohdemateriaalia artikkelissamme “Grafeeni‑puolijohteet – Ovatko ne vihdoin täällä?”

Orgaaniset materiaalit

Viimeaikaisen löydön mukaan orgaanista materiaalia voidaan pakottaa muodostamaan 2‑ulotteisen rakenteen, joka muistuttaa grafeenia. Tämä voisi tehdä siitä yhtä erittäin johtavan kuin grafeeni, samalla kun se luonnollisesti osoittaa puolijohdeominaisuuksia, toisin kuin grafeeni, jonka on pakko “pakottaa” toimimaan näin.

Lisätietoja tästä vaihtoehdosta löytyy artikkelista “Voiko orgaaniset puolijohteet yhdistää grafeenin ja piinin hyödyt?”

Puolijohteiden energian käytön optimointi

Yksi ongelma yhä nopeampien ja pienempien transistorien käytössä on kasvava energian kulutus.

Vaihtoehtona voisi olla tekniikka nimeltä “redox‑porttaus”. Se perustuu enemmän kemialliseen reaktioon (redox) ja voisi vähentää energian tarvetta merkittävästi.

Jos laskennan hinta alkaa nousta energian kustannusten vuoksi enemmän kuin sirujen itse, tämä on ratkaisu, jonka saatamme nähdä toteutettavan. Tutkimme viimeisimmät uutiset tästä aiheesta artikkelissa “Redox‑porttaus voi johtaa uusiin tehokkuustasoihin pienelektroniikassa”.

Fotoniikka

Vaihtoehtoiset puolijohdemateriaalit pyrkivät korvaamaan piin. Mutta entä jos laskenta toteutettaisiin täysin ilman elektroneja, transistoreita ja puolijohteita?

Tämä on fotoniikan idea, jossa pyritään suorittamaan laskenta suoraan valon avulla.

Valo on nopein asia universumissa, joten se voisi olla kymmenien tai satojen kertaisesti nopeampi kuin piipohjainen ja puolijohteisiin perustuva laskenta.

Käytännössä fotoniikka saattaa edelleen sisältää piitä, mutta se voi myös perustua kiteisiin.

Valon aaltomaisen luonteen vuoksi fotoniikan suunnittelu perustuu käyriin ja ainutlaatuisiin (ja vielä osittain teknologisesti kehittymättömiin) suunnitteluperiaatteisiin, jotka eroavat puolijohteiden suunnittelussa käytetyistä.

Lähde: Synopsis

Kvanttilaskenta

Laskentaa voitaisiin myös suorittaa mittaamalla ei sähkövirtaa vaan hiukkasten kvanttitilaa.

Sen sijaan, että tuotettaisiin 0 ja 1 (virran puuttuminen tai läsnäolo), se käyttää “kvanttibittejä”, joita kutsutaan kubitteina, joissa hiukkasen tieto on samanaikaisesti 0 JA 1, tai 1, tai 0.

Laskennan perustavanlaatuisen eron vuoksi kvanttilaskenta ei ole vaihtoehto “tavalliselle” laskennalle, vaan pikemminkin täydentävä tekijä.

Tavallinen laskenta toimii lineaarisesti ja kamppailee erittäin monimutkaisten laskelmien, kuten ilmastomallinnuksen, kryptografian tai monimutkaisten molekyylien, kuten proteiinien, 3‑dimensioisen konfiguraation kanssa. Tämä on juuri se laskentatyyppi, jossa kvanttilaskennan odotetaan menestyvän.

Joten vaikka kvanttitietokoneet eivät ehkä korvaa piitä, ne voivat suorittaa tehtäviä paremmin, jotka olivat aiemmin lähes mahdottomia piisiruille.

Kvanttilaskennan nykytila

Biologiset organoidit

Aivot ovat pohjimmiltaan supertietokoneita, ainakin prosesseissa kuten kuvioiden tunnistus, kieli jne. Ja ne ovat erittäin tehokkaita, kuluttaen vain muutaman kymmenen watin verran.

Sveitsiläinen startup FinalSpark on kehittänyt 0,5 mm:n kokoisen pallon (organoidit), joka koostuu 10 000 ihmisen neuronista. Ja se käyttää tätä laskennan suorittamiseen. Palvelu on jopa saatavilla pilven kautta.

Tämä on erittäin uusi ala, eikä vielä ole selvää, kuinka pitkälle se kehittyy. Mutta kuka tietää, ehkä jonain päivänä itseohjautuvat laitteemme toimivat neuroneilla sirujen sijaan.

Top 10 ei-silikoniosakkeet

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) oli ensimmäisen pääkoneen kaupallistamisen johtava voima. Kuitenkin se on jäänyt jälkeen tuotantomäärissä verrattuna muihin teknologiavalmistajiin, kuten Appleen, TSMCiin ja NVIDIAan.

Se on kuitenkin kvanttitietokoneiden kehityksen eturintamassa. Esimerkiksi se kehitti 127‑kubittisen “Eagle”-kvanttitietokoneen, jota seurasi 433‑kubittinen järjestelmä nimeltä “Osprey”.

Ja nyt sitä seuraa “Condor”, 1 121‑superjohtavan kubitin kvanttiprosessori, joka perustuu cross‑resonance‑porttiteknologiaan, sekä “Heron”, kvanttiprosessori, joka on alan aivan kärjessä.

IBM on mukana useimmissa muissa huipputason innovaatioissa laskennassa ja puolijohdeteollisuudessa. Näihin kuuluvat johtavat orgaaniset materiaalit, neuromorfiinen laskenta, fotoniikka jne.

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

Toistaiseksi se vaikuttaa erittäin päättäväiseltä säilyttämään mahdollisimman monta keskeistä patenttia kaikissa ei-silikonilaskennan menetelmissä, toistaen menneisyyden menestyksensä, kun se merkittävästi vaikutti puolijohdeteollisuuden kasvattamiseen nykyiseksi jättiläiseksi.

2. Microsoft Corporation

Jo “normaalien” pilvipalvelujen johtajana Microsoft (MSFT ) on kvanttilaskennan pilvipalvelujen edelläkävijä Azure Quantumin avulla.

On täysin mahdollista, että suurin osa tulevaisuuden kvanttilaskennasta tehdään “etänä”, hyödyntäen Microsoftin kaltaisia pilvipalveluita suoran kvanttitietokoneen käytön sijaan.

Tämä on erityisen todennäköistä, koska suurin osa kvanttilaskennan sovelluksista tutkitaan biokemistien, materiaalitieteen asiantuntijoiden, ilmastotieteilijöiden ja muiden erikoistuneiden, joilla ei ole erityistä taustaa kvanttilaskennassa, toimesta.

Siksi on järkevämpää luottaa omistautuneisiin ammattilaisiin yrityksissä kuten IBM, Microsoft tai Google hoitamaan laskentaprosessin kuin palkata tai kouluttaa alaan perehtymättömiä henkilöitä.

Microsoftin palvelu tarjoaa “hybridilaskentaa”, jossa yhdistetään kvanttilaskenta perinteiseen pilvipohjaiseen supertietokonepalveluun.

Lähde: Microsoft

Sen sijaan, että Microsoft pyrkisi pystysuoraan integraatioon, sen lähestymistapa kvanttilaskentaan on ollut solmia kumppanuuksia alan johtavien toimijoiden kanssa, jotka kattavat lähes kaikki kvanttilaskennan mahdollistavat teknologiat, kuten IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT) ja Rigetti (RGTI).

Lähde: Microsoft

Microsoft on myös solminut vuoden 2023 lopussa yhteistyön Photonicin kanssa, yrityksen kanssa, joka työskentelee yhdistämällä kvanttilaskentaa ja fotoniikkaa.

Microsoft on myös työskennellyt analogisten fotonisirujen parissa rahoitusalan käyttöön.

Kvanttilaskenta ei ole Microsoftin liiketoiminnan keskiössä, ainakaan toistaiseksi. Se on kuitenkin alan keskeinen toimija, ja se voi tarjota “turvallisemman” osakevalinnan verrattuna suoraan sen julkisesti noteerattujen kvanttilaskentakumppaneiden, kuten QCI:n tai Rigettin, osakkeiden ostamiseen.

3. Alphabet Inc.

Google on erittäin aktiivinen kvanttilaskennassa, pääasiassa Google Quantum AI -laboratorionsa ja Quantum AI -keskuksensa kautta Santa Barbarassa.

Googlen kvanttitietokone teki historiaa vuonna 2019, kun Google väitti saavuttaneensa “kvanttiylivallan” Sycamore‑koneellaan, suorittaen laskelman 200 sekunnissa, mikä olisi vakiintuneelle supertietokoneelle kestänyt 10 000 vuotta.

Kuitenkin Googlen suurin panos voi olla ohjelmistossa, jossa sillä on paljon parempi kokemus kuin laitteistossa (haku, G Suite, Android jne.). Googlen Quantum AI tarjoaa jo ohjelmistokokonaisuuden, jonka tarkoituksena on auttaa tutkijoita kvantti‑algoritmien kehittämisessä.

Google on myös aktiivinen tukija fotoniikkayrityksille, kuten Lightmatterille.

Google todennäköisesti on yksi yrityksistä, jotka asettavat kvanttilaskennan ohjelmistojen ja ohjelmoinnin standardit, antaen suotuisan aseman ohjata alan tulevaa kehitystä. Sen vahva verkosto ja riskipääomatoiminta antavat myös mahdollisuuden muissa ei-silikonipohjaisissa laskennan muodoissa.

4. Intel

Intel (INTC ) on merkittävä sirutuottaja, ja se näyttää pyrkivän hyödyntämään tätä vahvuutta kvanttilaskennan alalla.

Se julkaisi äskettäin “Tunnel Falls” – “kaikkein edistyksellisimman piin spin‑kubittisirun”. Merkittävää on, että se ei ole prototyyppi vaan mittakaavassa valmistettu siru, jonka läpimenoaste on 95 % läpikuultavuuden ja jänniteyhtenäisyyden osalta. Tämä avaa tien kvanttilaskentasirujen massatuotannolle, mikä on toistaiseksi vaikeasti saavutettavissa alussa olevassa ja nopeasti muuttuvassa teollisuudessa.

Lähde: Intel

Pysyessään juurissaan Intel kehittää myös ohjelmistoja sirujensa hyödyntämiseen, julkaisten Intel Quantum SDK:n. Tämä tarjoaa ohjeistuksen ohjelmoijille kvanttilaskennan ohjelmistojen kehittämiseen, jotka ovat yhteensopivia Intelin kvanttisirujen suunnittelun kanssa, mikä on historiallisesti ollut erittäin vahva ja kannattava liiketoimintamurunen Intelin perinteiselle sirualalle.

Lähde: Intel

Skaalautuvan kvanttisirutuotannon saapuminen voi olla yhtä mullistavaa alalle kuin mikä tahansa muu tekninen tieteellinen läpimurto, alentamalla kustannuksia ja asettamalla yhteisiä ohjelmointistandardeja sekä siruarkkitehtuureja.

Vuoden 2023 lopussa Intel päätti luopua fotoniikkaliiketoiminnastaan Jabilille (JBL).

Kaiken kaikkiaan Intel tekee edistystä kvanttilaskennassa ja vaikuttaa omaavan selkeän strategian keskittyä tähän aiheeseen fotoniikkaa ja muita vaihtoehtoja edellä.

5. Nvidia

Grafiikkakorttien johtava valmistaja, ja viime aikoina myös kryptovaluutan louhintalaitteiden ja AI-sirujen valmistaja, on nyt todella kehittynyt PC‑komponenttien valmistajasta yhdeksi maailmanlaajuisista teknologiavalmistajista.

Nvidia (NVDA ) on myös aktiivinen kvanttilaskennan alalla, ja sen NVIDIA DGX Quantum yhdistää tavalliset sirut ja kvanttilaskennan käyttäen äskettäin avoimen lähdekoodin CUDA‑kvanttiohjelmistoalustaa.

Lähde: Nvidia

Vahvistaakseen johtoasemaansa AI:ssa, Nvidia on myös julkaissut QuantumX-800:n, joka on AI‑optimoitu verkkoalusta datakeskuksissa.

Fotoniikan osalta Nvidia on solminut kumppanuuden TSMC:n ja Broadcomin kanssa. Se pyrkii luomaan yhden moduulin yhteispaketoidun optiikan (CPO) avulla, joka integroi perinteiset piisirut ja fotoniikan.

Kaiken kaikkiaan Nvidian menestys on tiiviisti sidoksissa nykyiseen AI‑buumiin, ja kvanttilaskenta sekä fotoniikka ovat toissijaisia. Kuitenkin se hyötyy näiden sektoreiden kasvusta ja näyttää pysyvän kilpailussa.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum on Honeywell Quantum Solutionsin ja Cambridge Quantumin fuusion tulos (ja, kuten mainittiin, Microsoftin kvanttipilvipalvelun kumppani).

Quantinuum näyttää toistaiseksi keskittyvän vähemmän muiden kvanttilaskentajärjestelmien tutkimiin segmentteihin, erityisesti rahoitus- ja toimitusketjuun liittyviin analyyseihin, Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) -moottorinsa kautta, joka lanseerattiin syyskuussa 2023.

QMCI soveltuu ongelmiin, joilla ei ole analyyttistä ratkaisua, kuten rahoitusderivaattojen hinnoitteluun tai korkea‑energiapartikkeleiden fysiikka‑kokeiden tulosten simulointiin, ja lupaa laskennallisia edistysaskeleita liiketoiminnassa, energiassa, toimitusketjun logistiikassa ja muilla sektoreilla.

Kuten Microsoft, kvanttilaskenta ei ole Honeywellin liiketoiminnan keskeinen osa, joka keskittyy enemmän ilmailuun, automaatioon sekä erikoiskemikaaleihin ja -materiaaleihin.

Kuitenkin, kun otetaan huomioon, että jokainen näistä liiketoimintasegmenteistä voisi hyötyä kvanttilaskennasta, Honeywellin osallistumisen liiketoimintamalli on helppo nähdä.

Tämä tekee Honeywellista sekä kvanttilaskentapalvelujen tarjoajan että yhden yrityksistä, jotka voisivat hyötyä kvanttitietokoneiden soveltamisesta todellisiin liiketoimintatapauksiin, ja Quantinuumin integrointi ryhmään pitäisi edistää tätä nopeammin kuin sen teolliset kilpailijat.

7. Synopsys

Mikä tahansa fotoniikkajärjestelmä täytyy integroida mahdollisimman saumattomasti piijärjestelmien kanssa, ainakin aluksi. Synopsys voi auttaa tässä.

Yritys on erikoistunut piisuunnitteluun ja -vahvistukseen, mikä tarkoittaa, että sen ohjelmistoa käytetään uusien sirujen suunnitteluun, mukaan lukien ultra‑edistyneet 5 nm sirut ja sitä pienemmät.

Yritys tarjoaa myös fotoniikkaohjelmistoja, joita kuvataan lauseella “Alan ainoa saumaton suunnitteluprosessi fotonisten laitteiden, järjestelmien ja integroitujen piirikomponenttien suunnitteluun”. Tämä mahdollistaa uusien fotoniikkalaitteiden suunnittelun ja simuloinnin.

Lähde: Synopsis

Yritys on myös kehittänyt yhteisyrityksen Juniper Networkin kanssa luodakseen OpenLightin, indiumfosfidia käyttävän fotoniikkayrityksen.

8. Juniper Network

Juniper väittää tarjoavansa #1 pilvipohjaisen langattoman ratkaisun ja ainoan AI‑ohjatun WiFi‑verkon. Tämä asettaa sen suoraan kilpailuun vanhempien ja vakiintuneiden jättiläisten, kuten Cisco, kanssa. Juniperin teknologia, Juniper Mist, väitetään olevan skaalautuvampi, joustavampi ja parempi poikkeavuuksien havaitsemisessa kuin Ciscosta vastaava ratkaisu.

Yrityksen ratkaisut perustuvat vahvasti tekoälyyn, ja sen AI‑moottoria “Marvis” käytetään kaikilla verkon tasoilla, käyttäjältä datakeskukseen.

Lähde: Juniper

Turvallisuuden osalta Juniper osoittaa myös erinomaisia tuloksia palomuureissa, uhkasuojauksessa ja hyökkäyksiä vastaan, ylittäen useimmat toimittajat, kuten Fortinet (FTNT ), Palo Alto, Zscaler jne.

Juniper tarjoaa myös fotonisia integroituja piirejä (PIC), joita käytetään tällä hetkellä enimmäkseen tiedonsiirtoon ja antureihin. Niiden odotetaan olevan olennainen osa tulevia fotoniikkapohjaisia tietokoneita.

Lähde: Synopsis

9. Rigetti Computing, Inc.

Rigetti on kvanttilaskentayritys, “omistaen kriittisen IP:n läpimurtomultisiruprosessorillemme ja hybridikvantti‑klassiseen lähestymistapaan, josta on tullut hallitseva kvanttilaskentaarkkitehtuuri”.

Yritys integroi kaikki kvanttilaskentaan tarvittavat vaiheet, sirusuunnittelusta ja -valmistuksesta pilvipohjaiseen laskentatehon toimitukseen.

Lähde: Rigetti

Yritys keskittyy ei niinkään lisäämään mahdollisimman monta kubittia (kuten Intel tekee), vaan hiomaan olemassa olevaa tuotetta ja saavuttamaan erittäin korkean tarkkuus- ja nopeustason, mikä tekee siitä luotettavamman kaupallisen tuotteen.

Sen viimeisin versio, 84‑kubittinen Ankaa‑3, odotetaan julkistettavan vuoden 2024 toisella puoliskolla. Ankaa‑konseptiin perustuen yritys tavoittelee pitkällä aikavälillä 336+‑kubittista järjestelmää.

Lähde: Rigetti

Joulukuussa 2023 Rigetti aloitti 9‑kubittisen Novera‑järjestelmän myynnin, “mini‑kvanttitietokoneen”, joka myydään “vain” 900 000 dollarilla ja toimitusaika on 4‑6 viikkoa.

Ensimmäisiä asiakkaita olivat Fermilabin SQMS‑keskus, Ilmavoimien tutkimuslaboratorio ja Horizon Quantum (HQ ) Computing.

Yritys ilmoitti keväällä 2024 liittyvänsä Russell 3000 -indeksiin.

10. IPG Photonics

IPG on laserivalmistaja, joka tuottaa käytännössä kaikkia laserityyppejä, mukaan lukien kuitu-, diode-, UV- ja syvä‑UV‑laserit. 6 200 työntekijän kanssa se toimittaa yli 42 000 laserlaitetta vuodessa.

Sen erikoisuus on kuitulaserit, joissa on korkea tarkkuus ja kyky tuottaa laserpulssit niin lyhyinä kuin femtosekunti (yksi kvadriljoonasosa sekunnista).

IPG‑laserit ovat tällä hetkellä käytössä:

• Edistyneet tieteelliset sovellukset (spektroskopia, mikroskopia, interferometria, optinen ansainta jne.)
• Sähköautojen akku- ja sähkömoottorin valmistus.
• Materiaalinkäsittely, erityisesti metallin leikkaus, veistäminen, puhdistus ja laser‑3D‑tulostus.
• Laser‑mikrokäsittely, jossa laserit luovat erittäin pieniä rakenteita.

Vaikka fotoniikkasirujen kehitys on välttämätöntä täysin fotoniikkapohjaisten tietokoneiden luomiseksi, tiedämme jo, että se integroi paljon tiettyä ja jo yleistä komponenttia: laserit.

Fotoniikkalaskentaan tarvittava valo perustuu erittäin vakaaseen laserin tuottamaan valoon. Siksi laserialan johtajat, kuten IPG, hyötyvät laserikysynnän kasvusta puolijohdeteollisuuden siirtyessä asteittain fotoniikkaan.

Ja tässä nousevassa segmentissä ultra‑lyhyet laserimpulssit voidaan muuttaa ultra‑nopeaksi laskentatehoksi.