Computing
Mantenere il passo con la legge di Moore con substrati attivi e calcolo neuromorfico
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Nuovi semiconduttori necessari
The semiconductor industry has constantly grown in importance over the last few decades, moving from industrial mainframe computers to an essential part of virtually every machine and device today.
L’industria dei semiconduttori è cresciuta costantemente in importanza negli ultimi decenni, passando dai computer mainframe industriali a una parte essenziale di praticamente ogni macchina e dispositivo odierno.
Questa crescita è stata guidata dalla crescente complessità e miniaturizzazione dei semiconduttori. Tuttavia, a causa delle proprietà fisiche fondamentali del silicio, i semiconduttori basati su silicio stanno iniziando a raggiungere alcuni limiti.
Fortunatamente, il silicio non è affatto l’unico materiale che mostra proprietà semiconduttive, ovvero la capacità di passare da uno stato in cui funziona come isolante (non consente il flusso di elettricità) a un conduttore (consente il flusso di elettricità).
Nuove ricerche rivelano nuove intuizioni sulla fisica fondamentale di materiali semiconduttori innovativi come il diossido di vanadio e le precedentemente inattese proprietà semiconduttive del diossido di titanio.
La ricerca è stata condotta da uno sforzo di ricerca multidisciplinare svolto da ricercatori della Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology e del Paul Drude Institute of Solid State Electronics di Berlino.
Vanadio e legge di Moore
Ciò che rende il diossido di vanadio un candidato ideale per la nuova tecnologia dei semiconduttori è la capacità del vanadio di passare da metallo — lo stato “1” — a isolante — lo stato “0” — in appena un trilionesimo di secondo.
Questo è un fenomeno noto come “transizioni metal‑isolante”. La velocità della transizione metal‑isolante dovrebbe consentire elettronica più veloce e più piccola rispetto all’elettronica classica basata su silicio.
Ciò è essenziale se vogliamo vedere l’industria dei semiconduttori tenere il passo con la legge di Moore.
Formulata nel 1965, la legge di Moore è la legge empirica secondo cui l’industria dei semiconduttori aumenta il numero di transistor su un chip del 100% ogni due anni. Questo è rimasto vero per decenni, ma i limiti fondamentali dei chip in silicio significano che presto saranno necessari nuovi tipi di materiali per mantenerla.
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 fino al 15% per ogni raddoppio della produzione (originariamente 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 riguarda più l’innovazione tecnologica ed è guidata dal progresso nella comprensione della fisica fondamentale e dell’ingegneria su scala nanometrica.
Nuove intuizioni
Metodi avanzati
Finora, il diossido di vanadio è stato analizzato e osservato solo come componente isolato. Sebbene utile, ciò ha limitato la comprensione di ciò che accadrebbe realmente in un semiconduttore basato sul diossido di vanadio.
Nella loro pubblicazione su Advanced Materials (“In‑Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film‑Substrate Elastodynamics During an Insulator‑to‑Metal Transition”), i ricercatori hanno fatto diverse nuove scoperte.
Hanno utilizzato la microscopia a diffrazione di raggi X per osservare i cambiamenti in tempo reale e con precisione a livello atomico.
E hanno applicato il diossido di vanadio sopra un substrato di diossido di titanio, come avverrebbe in un vero chip semiconduttore, invece di studiarlo in isolamento.
Fonte: Advanced Materials
È stata un’impresa enorme, 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 e mettendo in comune la nostra comprensione del problema, siamo riusciti ad andare ben oltre il nostro ambito di competenza individuale e a scoprire qualcosa di nuovo.” – Roman Engel-Herbert, Director of the Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin
Movimenti del vanadio
I ricercatori hanno osservato per la prima volta che il diossido di vanadio si gonfiava verso l’alto quando passava a metallo. Questo andava contro le previsioni teoriche che prevedevano un restringimento.
Fonte: Advanced Materials
Hanno scoperto che un effetto precedentemente inatteso dovuto alla mancanza di atomi di ossigeno era responsabile del gonfiamento del materiale.
“Queste vacanze di ossigeno neutre trattengono una carica di due elettroni, che possono rilasciare quando il materiale passa da isolante a metallico. La vacanza di ossigeno rimasta è ora caricata e si gonfia, portando al sorprendente gonfiamento osservato nel dispositivo.” Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University
Attività inattesa del substrato di titanio
Un quasi-dogma nella produzione di semiconduttori è che solo il film sottile di materiale semiconduttore sopra il substrato è attivo quando viene sottoposto a corrente. Il substrato stesso è un materiale elettricamente e meccanicamente passivo.
In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che questo non è il caso per i semiconduttori a base di diossido di vanadio.
Al contrario, il diossido di titanio, precedentemente ritenuto inerte, si gonfia anch’esso, dallo stesso meccanismo che coinvolge la mancanza di atomi di ossigeno.
Inoltre, lo strato superiore di diossido di titanio si è comportato come il diossido di vanadio, agendo anch’esso come un semiconduttore.
Questa nuova scoperta sarà cruciale nella costruzione di prototipi di semiconduttori commerciali a base di diossido di vanadio.
Applicazioni
Semiconduttori più rapidi e migliori
Il diossido di vanadio è considerato un materiale molto promettente per portare la tecnologia dei semiconduttori al livello successivo, grazie a alcune caratteristiche fondamentali:
- La transizione isolante‑a‑metal (IMT) avviene a una velocità estrema di un trilionesimo di secondo, aprendo la strada a calcoli ultra‑veloci.
- Il diossido di vanadio presenta effetti elettronici fortemente correlati. In termini semplici, ciò significa che la repulsione tra elettroni non può essere ignorata, come avviene attualmente nei dispositivi basati su 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 retroazione positiva dovuto all’ionizzazione delle vacanze da parte degli atomi di ossigeno mancanti dovrebbe ridurre ulteriormente il tempo di IMT.
Ciò ha conseguenze molto importanti, poiché rende il diossido di vanadio potenzialmente il materiale giusto per un nuovo tipo di calcolo chiamato calcolo neuromorfico.
Il calcolo neuromorfico è un metodo in cui i sistemi informatici si ispirano ai cervelli dei sistemi viventi con neuroni.
Questo differisce dalle reti neurali attualmente usate da AI e LLM che cercano di imitare i neuroni, ma si basano ancora sui transistor di silicio classici ed è per lo più apprendimento automatico basato su software.
Quindi, i chip neuromorfici potrebbero apprendere a livello hardware. E invece di un output binario (0 e 1), produrrebbero impulsi di segnale.
Fonte: Tech Target
Grazie alla sua transizione isolante‑a‑metal molto rapida, il diossido di vanadio con un substrato attivo di diossido di titanio potrebbe essere usato per creare oscillatori a impulsi simili a neuroni di Mott in grado di replicare a livello hardware i neuroni biologici.
Panoramica
I semiconduttori a base di diossido di vanadio, il calcolo neuromorfico e gli oscillatori a impulsi simili a neuroni di Mott sono ai confini della scienza dei materiali e del design dei semiconduttori, probabilmente almeno un decennio prima di raggiungere la fattibilità commerciale.
Il periodo di questo decennio è esattamente quello in cui dovremmo aspettarci che i semiconduttori basati su silicio comincino a non riuscire a mantenere valida la legge di Moore.
Non c’è nulla nella legge di Moore che affermi che i semiconduttori debbano essere basati su silicio. È piuttosto un’osservazione empirica secondo cui, finché c’è domanda di chip più potenti, i ricercatori continuano a imparare di più sulla fisica dei semiconduttori a scale sempre più piccole.
Considerando che ora stiamo studiando i dioxidi di vanadio e titanio, in tempo reale e a livello atomico, sembra ragionevole aspettarsi che la legge di Moore continui a valere e che materiali come il vanadio siano il prossimo passo nel design dei semiconduttori.
E, naturalmente, altri modi innovativi di calcolo potrebbero anche aiutare a mantenere la legge di Moore in carreggiata, come la fotonica o il calcolo quantistico.
Aziende di semiconduttori avanzati
1. Intel
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Intel (INTC ) è un gigante nel settore dei semiconduttori e si è evoluta nel corso degli anni da fondatrice dell’industria a leader scientifica e dell’innovazione, perdendo il primo posto in termini di volume di produzione a società come la TSMC di Taiwan.
Intel è leader nel calcolo neuromorfico, anche attraverso il suo chip Loihi 2.
Fonte: Intel
Ha inoltre creato la Intel Neuromorphic Research Community, che include la Pennsylvania State University, coinvolta in questa recente ricerca sul diossido di vanadio, oltre a più di 75 altri gruppi di ricerca.
Fonte: Intel
Intel è anche molto attiva nel imitare la percezione biologica replicando il modo in cui funziona il nostro cervello (una branca stessa del calcolo neuromorfico), qualcosa di cui abbiamo discusso ulteriormente nel nostro articolo “Chip olfattivi biomimetici: L’intelligenza artificiale e i naso-elettronici sono il prossimo canarino in una miniera di carbone?”
In generale, la ricerca di Intel Lab è in prima linea nell’innovazione dei semiconduttori, includendo AI, calcolo quantistico, calcolo neuromorfico, ecc. (discutiamo i progressi di Intel nel calcolo quantistico nel nostro articolo “Lo stato attuale del calcolo quantistico”).
2. IBM
IBM Grafico dei prezzi
Un altro pioniere storico nel campo del calcolo, dei semiconduttori e del design dei chip, International Business Machines Corporation (IBM) sta anche investigando il calcolo neuromorfico (IBM ).
Sta inoltre sviluppando SyNAPSE: Calcolo neurosinaptico scalabile ed efficiente dal punto di vista energetico, supportato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), per combinare “nanoscienza, neuroscienze e supercalcolo per simulare ed emulare le capacità del cervello in termini di sensazione, percezione, azione, interazione e cognizione”.
È anche in prima linea nello sviluppo di computer quantistici. Per esempio, ha sviluppato il suo computer quantistico a 127 qubit “Eagle”, seguito da un sistema a 433 qubit noto come “Osprey” e dal processore quantistico a 1.121 qubit superconduttori “Condor”.
Fonte: All About Circuits
Insieme a Intel, IBM è tra le aziende che spingono più aggressivamente per nuove forme di tecnologie di calcolo, come il calcolo quantistico e neuromorfico, e probabilmente beneficerà dei progressi fatti nella comprensione della fisica atomica fondamentale di materiali come il diossido di vanadio.
