Menjaga Kecepatan Moore’s Law dengan Substrat Aktif dan Komputasi Neuromorfik

Semikonduktor Baru Diperlukan

Industri semikonduktor telah terus tumbuh dalam pentingnya selama beberapa dekade terakhir, beralih dari komputer mainframe industri ke bagian penting dari hampir setiap mesin dan perangkat saat ini.

Pertumbuhan ini didorong oleh meningkatnya kompleksitas dan miniaturisasi semikonduktor. Namun, karena sifat fisik fundamental silikon, semikonduktor berbasis silikon mulai mencapai beberapa batas.

Untungnya, silikon jauh bukan satu-satunya material yang menunjukkan sifat semikonduktor, yaitu kemampuan beralih dari keadaan isolator (tidak mengalirkan listrik) ke konduktor (mengalirkan listrik).

Penelitian baru mengungkap wawasan baru tentang fisika fundamental material semikonduktor inovatif seperti vanadium dioksida dan sifat semikonduktor titanium dioksida yang sebelumnya tidak terduga.

The penelitian 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.

Vanadium & Hukum Moore

Apa yang membuat vanadium dioksida menjadi kandidat utama untuk teknologi semikonduktor baru adalah kemampuan vanadium untuk beralih antara logam — keadaan “1” — dan isolator — keadaan “0” — dalam hanya sepertriliun detik.

Ini adalah fenomena yang dikenal sebagai “transisi logam-isolator”. Kecepatan transisi logam-isolator ini seharusnya memungkinkan elektronik yang lebih cepat dan lebih kecil dibandingkan dengan elektronik berbasis silikon klasik.

Ini penting jika kita ingin melihat industri semikonduktor tetap mengikuti Hukum Moore.

Dirumuskan pada tahun 1965, Hukum Moore adalah hukum empiris bahwa industri semikonduktor meningkatkan jumlah transistor pada sebuah chip sebesar 100% setiap dua tahun. Hal ini telah berlaku selama beberapa dekade, tetapi batas fundamental pada chip silikon berarti bahwa jenis material baru akan segera dibutuhkan untuk mempertahankannya.

Hukum Moore merupakan penerapan pada industri semikonduktor dari Hukum Wright tahun 1936, yang menyatakan bahwa biaya manufaktur akan berkurang hingga 15% untuk setiap penggandaan produksi (awalnya dikembangkan untuk industri penerbangan).

Hukum Wright lebih merupakan aturan tentang ekonomi skala dan efisiensi industri saat meningkatkan produksi. Sementara itu, Hukum Moore lebih berkaitan dengan inovasi teknologi dan didorong oleh kemajuan dalam memahami fisika fundamental serta rekayasa skala nanometer.

Wawasan Baru

Metode Lanjutan

Sampai saat ini, vanadium dioksida hanya dianalisis dan diamati sebagai komponen terisolasi. Meskipun berguna, hal ini membatasi pemahaman tentang apa yang sebenarnya terjadi dalam semikonduktor yang mengandalkan vanadium dioksida.

Dalam publikasi mereka di Advanced Materials (“”In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition“”), para peneliti membuat beberapa penemuan baru.

Mereka menggunakan mikroskopi difraksi sinar-X untuk mengamati perubahan secara waktu nyata dan dengan presisi pada tingkat atom.

Dan mereka menerapkan vanadium dioksida di atas substrat titanium dioksida, seperti pada chip semikonduktor nyata, alih-alih mempelajarinya secara terisolasi.

Sumber: Advanced Materials

“Dengan mengumpulkan para ahli ini bersama-sama dan menggabungkan pemahaman kami tentang masalah ini, kami dapat melampaui ruang lingkup keahlian individu kami dan menemukan sesuatu yang baru.” – Roman Engel-Herbert, Direktur Paul Drude Institute of Solid State Electronics di Berlin

Pergerakan Vanadium

Para peneliti mengamati untuk pertama kalinya bahwa vanadium dioksida mengembang ke atas saat beralih menjadi logam. Hal ini bertentangan dengan prediksi teoretis yang mengasumsikan bahwa ia akan menyusut.

Sumber: Advanced Materials

Mereka menemukan bahwa efek yang sebelumnya tidak terduga dari atom oksigen yang hilang bertanggung jawab atas pembengkakan material tersebut.

“Kekosongan oksigen netral ini menyimpan muatan dua elektron, yang dapat dilepaskan ketika material beralih dari isolator menjadi logam. Kekosongan oksigen yang tersisa kini bermuatan dan mengembang, menyebabkan pembengkakan mengejutkan yang diamati pada perangkat.”
Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Aktivitas Tak Terduga Substrat Titanium

Sebuah quasi-dogma dalam pembuatan semikonduktor adalah bahwa hanya lapisan tipis material semikonduktor di atas substrat yang aktif ketika diberikan arus. Substrat itu sendiri adalah material yang pasif secara listrik dan mekanik.

Dalam studi ini, para peneliti menemukan bahwa hal ini tidak berlaku untuk semikonduktor vanadium dioksida.

Sebaliknya, titanium dioksida yang sebelumnya dianggap inert juga mengembang, akibat mekanisme yang sama melibatkan atom oksigen yang hilang.

Selain itu, lapisan atas titanium dioksida berperilaku seperti vanadium dioksida, juga berfungsi sebagai semikonduktor.

Penemuan baru ini akan menjadi kunci dalam membangun prototipe semikonduktor vanadium dioksida komersial.

Aplikasi

Semikonduktor Lebih Cepat, Lebih Baik

Vanadium dioksida dianggap sebagai material yang sangat menjanjikan untuk membawa teknologi semikonduktor ke tingkat berikutnya, karena beberapa karakteristik fundamental:

• Transisi Insulator-ke-Logam (IMT) terjadi dengan kecepatan ekstrem sepertriliun detik, membuka jalan bagi perhitungan ultra-cepat.
• Vanadium dioksida memiliki efek elektronik yang sangat berkorelasi. Dalam istilah sederhana, ini berarti tolakan antara elektron tidak dapat diabaikan, seperti yang saat ini dilakukan pada elektronik berbasis silikon.
  • Hal ini, pada gilirannya, membuka kemungkinan fungsionalitas baru seperti superkonduktivitas pada suhu tinggi dan sifat magnetik yang ditingkatkan.

Komputasi Neuromorfik

Penemuan proses umpan balik positif akibat ionisasi kekosongan dari atom oksigen yang hilang seharusnya mengurangi waktu IMT lebih jauh.

Hal ini memiliki konsekuensi yang sangat penting, karena membuat vanadium dioksida berpotensi menjadi material yang tepat untuk jenis perhitungan baru yang disebut komputasi neuromorfik.

Komputasi neuromorfik adalah metode di mana sistem komputer mengambil inspirasi dari otak makhluk hidup dengan neuron.

Ini berbeda dari jaringan saraf yang saat ini digunakan oleh AI dan LLM yang mencoba meniru neuron, tetapi masih bergantung pada transistor silikon klasik dan sebagian besar berbasis pembelajaran mesin perangkat lunak.

Jadi, chip neuromorfik dapat belajar pada tingkat perangkat keras. Dan alih-alih output biner (0 dan 1), mereka akan menghasilkan lonjakan sinyal.

Sumber: Tech Target

Berkat transisi Insulator-ke-Logam yang sangat cepat, vanadium dioksida dengan substrat aktif titanium dioksida dapat digunakan untuk membuat osilator berdenyut mirip neuron Mott yang mampu meniru neuron biologis pada tingkat perangkat keras.

Gambaran Umum

Semikonduktor vanadium dioksida, komputasi neuromorfik, dan osilator berdenyut mirip neuron Mott berada di ujung ilmu material dan desain semikonduktor, kemungkinan setidaknya satu dekade sebelum mencapai kelayakan komersial.

Kerangka waktu dekade ini tepat ketika kita harus mengharapkan semikonduktor berbasis silikon mulai gagal dalam mempertahankan keabsahan Hukum Moore.

Tidak ada yang dalam Hukum Moore yang menyatakan semikonduktor harus berbasis silikon. Itu lebih merupakan observasi empiris bahwa selama ada permintaan untuk chip yang lebih kuat, peneliti terus mempelajari fisika semikonduktor pada skala yang semakin kecil.

Mengingat kita kini mempelajari vanadium dan titanium dioksida secara waktu nyata dan pada tingkat atom, tampaknya masuk akal untuk mengharapkan Hukum Moore tetap berlaku dan material seperti vanadium menjadi langkah selanjutnya dalam desain semikonduktor.

Dan tentu saja, cara komputasi inovatif lainnya juga dapat membantu menjaga Hukum Moore tetap pada jalurnya, seperti fotonik atau komputasi kuantum.

Perusahaan Semikonduktor Lanjutan

1. Intel

Intel (INTC ) adalah raksasa di sektor semikonduktor dan telah berkembang selama bertahun-tahun dari pendiri industri menjadi pemimpin ilmiah dan inovasi, kehilangan posisi teratas dalam volume produksi kepada perusahaan seperti TSMC milik Taiwan.

Intel adalah pemimpin dalam komputasi neuromorfik, termasuk melalui chip Loihi 2-nya.

Sumber: Intel

Ia juga menciptakan Intel Neuromorphic Research Community, yang mencakup Pennsylvania State University, yang terlibat dalam penelitian vanadium dioksida terbaru ini, serta lebih dari 75 kelompok riset lainnya.

Sumber: Intel

Intel juga sangat aktif dalam meniru rasa biologis dengan mereplikasi cara kerja otak kita (yang merupakan cabang komputasi neuromorfik), sesuatu yang kami bahas lebih lanjut dalam artikel kami “Chip Olfaktori Biomimetik: Apakah Kecerdasan Buatan dan E-Nose menjadi Burung Kenari Berikutnya di Tambang Batu Bara?”.

Secara keseluruhan, penelitian dari Intel Lab berada di garis depan inovasi semikonduktor, termasuk AI, komputasi kuantum, komputasi neuromorfik, dll. (kami membahas kemajuan Intel dalam komputasi kuantum dalam artikel kami “Keadaan Saat Ini Komputasi Kuantum”).

2. IBM

Pionir historis lainnya dalam komputasi, semikonduktor, dan desain chip, International Business Machines Corporation (IBM) juga menyelidiki komputasi neuromorfik (IBM ).

Ia juga mengembangkan SyNAPSE: Komputasi neurosinaptik yang skalabel dan hemat energi, didukung oleh Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), untuk menggabungkan “nanoscience, neuroscience, dan supercomputing untuk mensimulasikan dan meniru kemampuan otak dalam sensasi, persepsi, aksi, interaksi, dan kognisi”.

Ia juga berada di garis depan pengembangan komputer kuantum. Misalnya, ia mengembangkan komputer kuantum 127-qubit “Eagle”, yang diikuti oleh sistem 433-qubit yang dikenal sebagai “Osprey” dan prosesor kuantum 1.121 qubit superkonduktor “Condor”.

Sumber: All About Circuits

Bersama Intel, IBM termasuk perusahaan yang paling agresif mendorong bentuk teknologi komputasi baru, seperti komputasi kuantum dan neuromorfik, dan kemungkinan akan mendapat manfaat dari kemajuan dalam memahami fisika atom fundamental material seperti vanadium dioksida.