Mantenere il Passo con la Legge di Moore con Sottostanti Attivi e Calcolo Neuromorfico

Nuovi Semiconduttori Necessari

L’industria dei semiconduttori è costantemente cresciuta in importanza negli ultimi decenni, passando da computer mainframe industriali a una parte essenziale di quasi ogni macchina e dispositivo oggi.

Questa crescita è stata guidata dalla crescente complessità e miniaturizzazione dei semiconduttori. Tuttavia, a causa delle proprietà fisiche fondamentali del silicio, i semiconduttori a base di silicio stanno iniziando a raggiungere alcuni limiti.

Per fortuna, il silicio non è l’unico materiale che presenta proprietà di semiconduttore, ovvero la capacità di passare da uno stato in cui funziona come isolante (non lasciando fluire l’elettricità) a uno stato in cui funziona come conduttore (lasciando fluire l’elettricità).

Nuove ricerche rivelano nuove intuizioni sulla fisica fondamentale di materiali semiconduttori innovativi come il diossido di vanadio e le proprietà semiconduttive insospettate del diossido di titanio.

La ricerca è stata condotta da uno sforzo di ricerca multidisciplinare condotto da ricercatori della Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology e dell’Istituto Paul Drude di Elettronica dello Stato Solido di Berlino.

Vanadio & Legge di Moore

Ciò che rende il diossido di vanadio un candidato principale per la nuova tecnologia dei semiconduttori è la capacità del vanadio di passare tra metallo – lo stato “1” – e isolante – lo stato “0” – in solo un trilionesimo di secondo.

Questo è un fenomeno noto come “subire transizioni metallo-isolante”. La velocità della transizione metallo-isolante dovrebbe consentire elettronica più veloce e più piccola rispetto all’elettronica classica a base di silicio.

Questo è essenziale se vogliamo vedere l’industria dei semiconduttori mantenere il passo con la Legge di Moore.

Formulata nel 1965, la Legge di Moore è la legge empirica che l’industria dei semiconduttori aumenta il numero di transistor su un chip del 100% ogni due anni. Ciò è rimasto vero per decenni, ma i limiti fondamentali sui chip di silicio significano che nuovi tipi di materiali saranno presto necessari per mantenerla vera.

La legge di Moore è un’applicazione all’industria dei semiconduttori della legge di Wright del 1936, che afferma che i costi di produzione si ridurranno del 15% per ogni raddoppio della produzione (inizialmente sviluppata per l’industria aeronautica).

La legge di Wright è più una regola sull’economia di scala e sull’efficienza industriale quando si aumenta la produzione. Nel frattempo, la legge di Moore è più sulla innovazione tecnologica e è guidata dal progresso nella comprensione della fisica fondamentale e dell’ingegneria su scala nanometrica.

Nuove Intuizioni

Metodi Avanzati

Fino ad ora, il diossido di vanadio è stato analizzato e osservato solo come componente isolato. Sebbene utile, ciò ha limitato la comprensione di ciò che sarebbe effettivamente accaduto in un semiconduttore che si basa sul diossido di vanadio.

Nella loro pubblicazione su Advanced Materials (“Immagini spaziotemporali in-operando della cinematica elastodinamica del film-sottostante accoppiato durante una transizione isolante-metallo“), i ricercatori hanno fatto diverse nuove scoperte.

Hanno utilizzato la microscopia a diffrazione dei raggi X per osservare i cambiamenti in tempo reale e con precisione a livello atomico.

E hanno applicato il diossido di vanadio su un sottostante di diossido di titanio, come sarebbe in un chip di semiconduttore reale, invece di studiarlo in isolamento.

Source: Advanced Materials

Questo è stato un enorme sforzo, con lo studio stesso che ha richiesto più di 10 anni e ha coinvolto molti team di ricerca e un approccio multidisciplinare.

“Unendo questi esperti insieme e condividendo la nostra comprensione del problema, siamo stati in grado di andare ben oltre la nostra competenza individuale e scoprire qualcosa di nuovo.” – Roman Engel-Herbert, Direttore dell’Istituto Paul Drude di Elettronica dello Stato Solido di Berlino

Movimenti di Vanadio

I ricercatori hanno osservato per la prima volta che il diossido di vanadio si gonfiava verso l’alto quando cambiava in metallo. Ciò è contrario alle previsioni teoriche che presumevano che si sarebbe ridotto.

Source: Advanced Materials

Hanno scoperto che un effetto precedentemente insospettato dovuto a atomi di ossigeno mancanti era responsabile del gonfiamento del materiale.

“Queste lacune di ossigeno neutre hanno una carica di due elettroni, che possono rilasciare quando il materiale passa da un isolante a un metallo. La lacuna di ossigeno lasciata indietro è ora carica e si gonfia, portando al gonfiamento sorprendente osservato nel dispositivo.”

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Attività Insospettata del Sottostante di Titanio

Un quasi-dogma nella produzione di semiconduttori è che solo il sottile film di materiale semiconduttore sul sottostante è attivo quando sottoposto a corrente. Il sottostante stesso è un materiale elettricamente e meccanicamente passivo.

In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che ciò non è il caso per i semiconduttori di diossido di vanadio.

Invece, il diossido di titanio precedentemente ritenuto inerte si gonfia anche, dallo stesso meccanismo che coinvolge atomi di ossigeno mancanti.

Inoltre, il livello superiore del diossido di titanio si è comportato come il diossido di vanadio, agendo anche come semiconduttore.

Questa nuova scoperta sarà cruciale nella costruzione di prototipi di semiconduttori di diossido di vanadio commerciali.

Applicazioni

Semiconduttori Più Veloci e Migliori

Il diossido di vanadio è considerato un materiale molto promettente per portare la tecnologia dei semiconduttori al livello successivo, a causa di alcune caratteristiche fondamentali:

• La transizione isolante-metallo (IMT) si verifica a una velocità estrema di un trilionesimo di secondo, aprendo la strada per calcoli ultra-veloci.
• Il diossido di vanadio ha effetti elettronici fortemente correlati. In semplici termini, ciò significa che la repulsione tra elettroni non può essere ignorata, come viene fatto attualmente nell’elettronica a base di silicio.
  • Ciò, a sua volta, apre le possibilità di nuove funzionalità come la superconduttività ad alta temperatura e proprietà magnetiche migliorate.

Calcolo Neuromorfico

La scoperta del processo di feedback positivo dovuto all’ionizzazione della lacuna da atomi di ossigeno mancanti dovrebbe ridurre ulteriormente il tempo IMT.

Ciò ha conseguenze molto importanti, poiché rende il diossido di vanadio potenzialmente in grado di essere il materiale giusto per un nuovo tipo di calcolo chiamato calcolo neuromorfico.

Il calcolo neuromorfico è un metodo in cui i sistemi informatici che prendono ispirazione dai cervelli dei sistemi viventi con neuroni.

Ciò differisce dalle reti neurali attualmente utilizzate dall’AI e dagli LLM che cercano di emulare i neuroni, ma si basano ancora su transistor classici di silicio e sono principalmente basati su software di apprendimento automatico.

Quindi, i chip neuromorfici potrebbero imparare a livello di hardware. E invece di output binario (0 e 1), produrrebbero spike di segnale.

Source: Tech Target

Grazie alla sua transizione isolante-metallo molto veloce, il diossido di vanadio con un sottostante attivo di diossido di titanio potrebbe essere utilizzato per creare oscillatori a spike simili a neuroni di Mott in grado di replicare a livello di hardware i neuroni biologici.

Panoramica

I semiconduttori di diossido di vanadio, il calcolo neuromorfico e gli oscillatori a spike simili a neuroni di Mott sono all’avanguardia della scienza dei materiali e della progettazione dei semiconduttori, probabilmente almeno un decennio prima di raggiungere la fattibilità commerciale.

Questo periodo di tempo di un decennio è esattamente quando ci si aspetta che i semiconduttori a base di silicio inizino a non riuscire a mantenere la legge di Moore valida.

Non c’è nulla nella legge di Moore che dica che i semiconduttori debbano essere a base di silicio. È piuttosto un’osservazione empirica che finché c’è una domanda di chip più potenti, i ricercatori continuano a imparare di più sulla fisica dei semiconduttori su scala sempre più piccola.

Considerando che stiamo ora studiando il diossido di vanadio e il diossido di titanio in tempo reale e a livello atomico, sembra ragionevole aspettarsi che la legge di Moore si mantenga e che materiali come il vanadio siano il prossimo passo nella progettazione dei semiconduttori.

E naturalmente, altri modi innovativi di calcolo potrebbero anche aiutare a mantenere la legge di Moore sulla giusta strada, come la fotonica o il calcolo quantistico.

Aziende di Semiconduttori Avanzati

1. Intel

Intel è un gigante nel settore dei semiconduttori e si è evoluto nel corso degli anni da un fondatore dell’industria a un leader scientifico e di innovazione, perdendo il posto di leader nella produzione di volumi a società come Taiwan’s TSMC.

Intel è un leader nel calcolo neuromorfico, compreso attraverso il suo chip Loihi 2.

Source: Intel

Ha anche creato la comunità di ricerca neuromorfica Intel, che include la Pennsylvania State University, coinvolta in questa recente ricerca sul diossido di vanadio, nonché altri 75+ gruppi di ricerca.

Source: Intel

Intel è anche molto attiva nell’emulare i sensi biologici replicando il modo in cui funziona il nostro cervello (esso stesso un ramo del calcolo neuromorfico), qualcosa che abbiamo discusso ulteriormente nel nostro articolo “Chip Olfattivi Biomimetici: l’Intelligenza Artificiale e le E-Nose sono il Prossimo Canarino nella Miniera di Carbone?”

In generale, la ricerca di Intel Lab è all’avanguardia dell’innovazione dei semiconduttori, compresi l’AI, il calcolo quantistico, il calcolo neuromorfico, ecc. (discutiamo gli avanzamenti di Intel nel calcolo quantistico nel nostro articolo “Lo Stato Attuale del Calcolo Quantistico”).

2. IBM

Un altro pioniere storico nel calcolo, semiconduttori e progettazione di chip, International Business Machines Corporation (IBM) sta anche indagando sul calcolo neuromorfico.

Sta anche sviluppando SyNAPSE: calcolo neurosinaptico scalabile ed efficiente in termini energetici, supportato da Defense Advanced Research Programs Agency (DARPA), per combinare “nanoscienza, neuroscienza e supercalcolo per simulare ed emulare le capacità del cervello per la sensazione, la percezione, l’azione, l’interazione e la cognizione”.

È anche all’avanguardia nello sviluppo di computer quantistici. Ad esempio, ha sviluppato il suo computer quantistico “Eagle” a 127 qubit, seguito da un sistema a 433 qubit noto come “Osprey” e il processore quantistico a 1.121 qubit superconduttore “Condor”.

Source: All About Circuits

Insieme a Intel, IBM è tra le società che più aggressivamente spingono per nuove forme di tecnologie di calcolo, come il calcolo quantistico e il calcolo neuromorfico, e probabilmente trarrà beneficio dai progressi fatti nella comprensione della fisica atomica fondamentale di materiali come il diossido di vanadio.