सक्रिय सब्सट्रेट और न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग के साथ Moore’s Law की गति बनाए रखना

नए अर्धचालकों की आवश्यकता

सेमीकंडक्टर उद्योग ने पिछले कुछ दशकों में निरंतर महत्व में वृद्धि की है, औद्योगिक मेनफ़्रेम कंप्यूटरों से लेकर आज लगभग हर मशीन और डिवाइस का अनिवार्य हिस्सा बन गया है।

यह वृद्धि अर्धचालकों की बढ़ती जटिलता और सूक्ष्मता से प्रेरित रही है। हालांकि, सिलिकॉन की मूलभूत भौतिक गुणों के कारण, सिलिकॉन-आधारित अर्धचालक कुछ सीमाओं तक पहुँच रहे हैं।

सौभाग्य से, सिलिकॉन ही वह एकमात्र पदार्थ नहीं है जो अर्धचालक गुण प्रदर्शित करता है, अर्थात् वह एक इंसुलेटर (बिजली नहीं बहने देने) और एक कंडक्टर (बिजली बहने देने) के बीच स्विच कर सकता है।

नई शोध ने वैनेडियम डाइऑक्साइड जैसे नवाचारी अर्धचालक पदार्थों और टाइटेनियम डाइऑक्साइड की पहले अज्ञात अर्धचालक गुणों के मूलभूत भौतिकी में नई अंतर्दृष्टि प्रदान की है।

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.

वैनेडियम और Moore’s Law

वैनेडियम डाइऑक्साइड को नई अर्धचालक तकनीक के प्रमुख उम्मीदवार बनाता है कि वैनेडियम केवल एक ट्रिलियनवें सेकंड में धातु — “1” स्थिति — और इंसुलेटर — “0” स्थिति — के बीच स्विच कर सकता है।

इसे “धातु-इंसुलेटर संक्रमण” कहा जाता है। धातु-इंसुलेटर संक्रमण की गति क्लासिक सिलिकॉन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में तेज़ और छोटे इलेक्ट्रॉनिक्स को संभव बना सकती है।

यदि हम चाहते हैं कि अर्धचालक उद्योग Moore’s Law के साथ तालमेल बनाए रखे, तो यह अत्यावश्यक है।

1965 में स्थापित Moore’s Law एक अनुभवजन्य नियम है जो कहता है कि अर्धचालक उद्योग हर दो वर्षों में चिप पर ट्रांजिस्टरों की संख्या को 100 % बढ़ाता है। यह दशकों से सत्य रहा है, लेकिन सिलिकॉन चिपों की मूलभूत सीमाओं के कारण नई सामग्रियों की आवश्यकता जल्द ही पड़ेगी।

Moore’s Law, 1936 के Wright’s Law का अर्धचालक उद्योग पर अनुप्रयोग है, जो कहता है कि उत्पादन के प्रत्येक दो गुना होने पर निर्माण लागत 15 % तक घटेगी (शुरुआत में यह एयरोनॉटिकल उद्योग के लिए विकसित किया गया था)।

Wright’s Law अधिकतर पैमाने की अर्थव्यवस्था और उत्पादन बढ़ाने पर औद्योगिक दक्षता से संबंधित है। जबकि Moore’s Law तकनीकी नवाचार से जुड़ा है और मूलभूत भौतिकी तथा नैनोमीटर-स्तर की इंजीनियरिंग में प्रगति द्वारा संचालित होता है।

नई अंतर्दृष्टि

उन्नत विधियाँ

अब तक वैनेडियम डाइऑक्साइड को केवल एक अलग घटक के रूप में विश्लेषित और अवलोकित किया गया था। जबकि यह उपयोगी था, इससे यह समझ सीमित रही कि वैनेडियम डाइऑक्साइड पर निर्भर अर्धचालक में वास्तविक रूप से क्या होगा।

Advanced Materials में उनके प्रकाशन (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition”) में शोधकर्ताओं ने कई नई खोजें कीं।

उन्होंने एटॉमिक स्तर पर वास्तविक समय में परिवर्तन को सटीक रूप से देखना संभव बनाने के लिए एक्स‑रे डिफ्रैक्शन माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया।

और उन्होंने वैनेडियम डाइऑक्साइड को टाइटेनियम डाइऑक्साइड सब्सट्रेट के ऊपर लगाया, जैसे कि यह वास्तविक अर्धचालक चिप में होगा, न कि अलगाव में अध्ययन किया गया हो।

स्रोत: Advanced Materials

यह एक विशाल प्रयास था, जिसमें अध्ययन स्वयं को 10 साल से अधिक समय लगा और कई शोध टीमों तथा बहु-विषयक दृष्टिकोण को शामिल किया।

“इन विशेषज्ञों को एक साथ लाकर और समस्या की हमारी समझ को मिलाकर, हम अपनी व्यक्तिगत विशेषज्ञता की सीमाओं से बहुत आगे जा सके और कुछ नया खोजा।” – Roman Engel-Herbert, Director of the Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin

वैनेडियम की गति

शोधकर्ताओं ने पहली बार देखा कि वैनेडियम डाइऑक्साइड धातु में बदलते समय ऊपर की ओर उभरा। यह सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के विपरीत था, जिन्होंने माना था कि यह सिकुड़ जाएगा।

स्रोत: Advanced Materials

उन्होंने पाया कि ऑक्सीजन परमाणुओं की कमी से उत्पन्न एक पहले अज्ञात प्रभाव ही सामग्री के फूलने का कारण था।

“ये तटस्थ ऑक्सीजन रिक्तियाँ दो इलेक्ट्रॉनों का चार्ज रखती हैं, जिन्हें वह तब छोड़ सकती हैं जब सामग्री इंसुलेटर से धातु में बदलती है। पीछे बची हुई ऑक्सीजन रिक्ति अब चार्ज्ड हो जाती है और फूल जाती है, जिससे डिवाइस में आश्चर्यजनक सूजन देखी गई।”

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

टाइटेनियम सब्सट्रेट की अप्रत्याशित सक्रियता

अर्धचालक निर्माण में एक लगभग सिद्ध मान्यता यह है कि केवल सब्सट्रेट के ऊपर की पतली फिल्म ही करंट के अधीन सक्रिय होती है। सब्सट्रेट स्वयं विद्युत और यांत्रिक रूप से निष्क्रिय माना जाता है।

इस अध्ययन में शोधकर्ताओं ने पाया कि वैनेडियम डाइऑक्साइड अर्धचालकों के लिए यह मामला नहीं है।

इसके बजाय, पहले निष्क्रिय माना गया टाइटेनियम डाइऑक्साइड भी वही ऑक्सीजन रिक्तियों के कारण फूलता है।

इसके अतिरिक्त, टाइटेनियम डाइऑक्साइड की ऊपरी परत वैनेडियम डाइऑक्साइड की तरह व्यवहार करती है, अर्थात् वह भी अर्धचालक के रूप में कार्य करती है।

यह नई खोज व्यावसायिक वैनेडियम डाइऑक्साइड अर्धचालकों के प्रोटोटाइप बनाने में महत्वपूर्ण होगी।

अनुप्रयोग

तेज़, बेहतर अर्धचालक

वैनेडियम डाइऑक्साइड को अर्धचालक तकनीक को अगले स्तर पर ले जाने के लिए बहुत आशाजनक सामग्री माना जाता है, कुछ मूलभूत विशेषताओं के कारण:

• इंसुलेटर‑टू‑धातु (IMT) परिवर्तन एक ट्रिलियनवें सेकंड की अत्यधिक गति से होता है, जिससे अल्ट्रा‑फास्ट गणना संभव होती है।
• वैनेडियम डाइऑक्साइड में इलेक्ट्रॉनिक प्रभावों का मजबूत सहसंबंध है। सरल शब्दों में, इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों के बीच प्रतिकर्षण को नज़रअंदाज़ नहीं किया जा सकता, जैसा कि वर्तमान में सिलिकॉन‑आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है।
  • यह बदले में उच्च‑तापमान सुपरकंडक्टिविटी और उन्नत चुंबकीय गुणों जैसी नई कार्यात्मकताओं की संभावनाएँ खोलता है।

न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग

ऑक्सीजन की कमी से उत्पन्न रिक्ति आयनीकरण के कारण सकारात्मक फीडबैक प्रक्रिया की खोज IMT समय को और भी घटा देगी।

इसका बहुत महत्वपूर्ण परिणाम है, क्योंकि यह वैनेडियम डाइऑक्साइड को एक नई प्रकार की गणना, अर्थात् न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग, के लिए उपयुक्त सामग्री बना सकता है।

न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग वह विधि है जिसमें कंप्यूटर सिस्टम जीवित प्रणालियों के मस्तिष्क और न्यूरॉनों से प्रेरणा लेते हैं।

यह वर्तमान में AI और LLM द्वारा उपयोग किए जाने वाले न्यूरल नेटवर्क से अलग है, जो न्यूरॉनों की नकल करने की कोशिश करते हैं, लेकिन अभी भी क्लासिक सिलिकॉन ट्रांजिस्टर पर निर्भर होते हैं और मुख्यतः सॉफ़्टवेयर‑आधारित मशीन लर्निंग होते हैं।

इसलिए, न्यूरोमोर्फिक चिप्स हार्डवेयर स्तर पर सीख सकते हैं। और बाइनरी आउटपुट (0 और 1) के बजाय, वे सिग्नल के स्पाइक उत्पन्न करेंगे।

स्रोत: Tech Target

अपनी बहुत तेज़ इंसुलेटर‑टू‑धातु संक्रमण के कारण, वैनेडियम डाइऑक्साइड सक्रिय टाइटेनियम डाइऑक्साइड सब्सट्रेट के साथ Mott न्यूरॉन‑समान स्पाइकिंग ऑसिलेटर बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, जो हार्डवेयर स्तर पर जैविक न्यूरॉनों की नकल कर सकते हैं।

सारांश

वैनेडियम डाइऑक्साइड अर्धचालक, न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग, और Mott न्यूरॉन‑समान स्पाइकिंग ऑसिलेटर सामग्री विज्ञान और अर्धचालक डिजाइन के अत्यंत अग्रिम किनारे पर हैं, और व्यावसायिक उपयोगिता तक पहुँचने में कम से कम एक दशक लग सकता है।

यह दशक वह समय है जब हमें उम्मीद करनी चाहिए कि सिलिकॉन‑आधारित अर्धचालक Moore’s Law को बनाए रखने में विफल होने लगेंगे।

Moore’s Law में यह नहीं कहा गया है कि अर्धचालक को सिलिकॉन‑आधारित होना चाहिए। यह केवल एक अनुभवजन्य अवलोकन है कि जब तक अधिक शक्तिशाली चिप्स की मांग रहती है, शोधकर्ता अर्धचालक भौतिकी को छोटे‑से‑छोटे स्तर पर समझते रहेंगे।

चूँकि हम अब वैनेडियम और टाइटेनियम डाइऑक्साइड को वास्तविक‑समय में एटॉमिक स्तर पर अध्ययन कर रहे हैं, यह अपेक्षित है कि Moore’s Law जारी रहेगा और वैनेडियम जैसी सामग्रियाँ अर्धचालक डिजाइन का अगला कदम बनेंगी।

और निश्चित रूप से, फोटॉनिक्स या क्वांटम कंप्यूटिंग जैसी अन्य नवाचारी कंप्यूटिंग विधियाँ भी Moore’s Law को ट्रैक पर रखने में मदद कर सकती हैं।

उन्नत अर्धचालक कंपनियाँ

1. Intel

Intel (INTC ) अर्धचालक क्षेत्र में एक दिग्गज है और वर्षों में उद्योग के संस्थापक से लेकर वैज्ञानिक और नवाचार नेता तक विकसित हुआ है, जबकि निर्माण मात्रा में शीर्ष स्थान ताइवान की TSMC जैसी कंपनियों को सौंप दिया गया है।

Intel न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग में अग्रणी है, जिसमें उसका Loihi 2 चिप शामिल है।

स्रोत: Intel

इसने Intel Neuromorphic Research Community भी स्थापित की है, जिसमें Pennsylvania State University (जो इस हालिया वैनेडियम डाइऑक्साइड शोध में शामिल है) और 75 + अन्य शोध समूह शामिल हैं।

स्रोत: Intel

Intel जैविक इंद्रियों की नकल करने में भी सक्रिय है, अर्थात् हमारे मस्तिष्क के कार्य करने के तरीके को दोहराते हुए (जो स्वयं न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग की एक शाखा है), जैसा कि हमने अपने लेख “Biomimetic Olfactory Chips: Are Artificial Intelligence and E‑Noses the Next Canary in a Coal Mine?” में विस्तृत किया है।

समग्र रूप से, Intel Lab का शोध अर्धचालक नवाचार के अग्रभाग में है, जिसमें AI, क्वांटम कंप्यूटिंग, न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग आदि शामिल हैं (हम अपने लेख “The Current State of Quantum Computing ” में Intel की क्वांटम कंप्यूटिंग प्रगति पर चर्चा करते हैं)।

2. IBM

कम्प्यूटिंग, अर्धचालकों और चिप डिजाइन में एक और ऐतिहासिक अग्रणी, International Business Machines Corporation (IBM) भी न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग की जांच कर रहा है (IBM ) ।

यह SyNAPSE: स्केलेबल ऊर्जा‑कुशल न्यूरोसिनैप्टिक कंप्यूटिंग विकसित कर रहा है, जिसे Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) द्वारा समर्थन मिला है, जिसका उद्देश्य “नैनो‑विज्ञान, न्यूरोसाइंस और सुपरकम्प्यूटिंग को मिलाकर मस्तिष्क की संवेदना, धारणा, क्रिया, इंटरैक्शन और संज्ञान क्षमताओं का अनुकरण करना” है।

यह क्वांटम कंप्यूटर्स के विकास में भी अग्रणी है। उदाहरण के लिए, इसने 127‑क्यूबिट “Eagle” क्वांटम कंप्यूटर विकसित किया, जिसके बाद 433‑क्यूबिट सिस्टम “Osprey” और 1,121‑सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट क्वांटम प्रोसेसर “Condor” आया।

स्रोत: All About Circuits

Intel के साथ मिलकर, IBM उन कंपनियों में से एक है जो क्वांटम और न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग जैसी नई कंप्यूटिंग तकनीकों को सबसे अधिक सक्रियता से आगे बढ़ा रही हैं, और वैनेडियम डाइऑक्साइड जैसी सामग्रियों के मूलभूत एटॉमिक भौतिकी को समझने में हुई प्रगति से लाभान्वित होने की संभावना है।