Il Fosfuro di Niobio Potrebbe Rendere i Data Center più Efficienti Affrontando la Debolezza dei Materiali

Nuovo Conduttore Necessario per i Nanochip

Durante la produzione di chip informatici avanzati, l’obiettivo tecnologico principale è stato ridurre le dimensioni dei transistor e creare forme più avanzate di materiali semiconduttori. Questo è stato il motore del successo di aziende come TSMC (TSM ), che ora stanno raggiungendo nodi di chip nella scala di 3 o addirittura 2 nm (nanometri).

Tuttavia, a questa scala compaiono nuovi problemi non correlati ai semiconduttori. Uno di questi è che i tradizionali materiali conduttori come il rame non conducono bene l’elettricità quando il filo metallico diventa troppo sottile.

Ciò può creare colli di bottiglia per l’elettricità all’interno dei chip, riducendo la potenza di calcolo e l’efficienza complessiva, oltre a provocare surriscaldamento.

Pertanto, è una notizia importante che ricercatori della Stanford University, dell’Ajou University di Suwon (Corea del Sud) e del IBM Watson Research Center hanno sviluppato un materiale ultrafine che conduce l’elettricità meglio del rame in queste condizioni.

Hanno pubblicato la loro scoperta sulla prestigiosa rivista scientifica Science, intitolata “Conduzione superficiale e ridotta resistività elettrica in un semimetallo non cristallino ultrafine NbP¹”.

Sostituire il Rame nell’Informatica

Grazie al suo prezzo relativamente basso e all’eccellente conduttività elettrica, il rame è stato il metallo principale per la connettività elettrica ed è anche un metallo chiave nelle batterie, nelle reti elettriche, ecc.

Tuttavia, a causa della minore conduttività del rame a nanoscala inferiore a 50 nm, i ricercatori stanno cercando alternative da tempo. Il problema è che i conduttori noti a livello nanoscala hanno strutture cristalline estremamente precise, che devono essere formate a temperature molto elevate.

Ciò non potrebbe funzionare per i semiconduttori e i chip, poiché l’alta temperatura distruggerebbe i fragili componenti di silicio.

Quindi, la corsa è stata avviata per trovare un conduttore ultrafine che non dipendesse da film monocristallini.

Fosfuro di Niobio

I ricercatori hanno lavorato con il fosfuro di niobio, un materiale noto per mostrare proprietà elettriche uniche, come elettroni superveloci e una magnetoresistenza molto alta. È già impiegato in applicazioni laser e ad alta potenza / alta frequenza.

Il fosfuro di niobio è definito un semimetallo topologico: ciò significa che, mentre l’intero materiale può trasportare elettricità, la superficie è più conduttiva rispetto al centro.

Per semplificare un po’ il concetto, possiamo dire che più sottile è lo strato di fosfuro di niobio, più parte di superficie c’è, con quasi nessun “centro”. Di conseguenza, ci si può aspettare che più sottile è il fosfuro di niobio, più diventa conduttivo.

E questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno osservato.

“Si è ritenuto che, se vogliamo sfruttare queste superfici topologiche, abbiamo bisogno di film monocristallini di buona qualità, molto difficili da depositare. Ora abbiamo un’altra classe di materiali – questi semimetalli topologici – che potrebbero potenzialmente ridurre il consumo energetico nell’elettronica.”

Akash Ramdas – uno studente di dottorato presso Stanford

Questo è un campo molto nuovo, con i fisici che hanno iniziato a sperimentare i semimetalli topologici solo dal 2015. E un film sottile <5nm non era mai stato prodotto prima.

Temperatura Inferiore per le Applicazioni Informatiche

Una temperatura più bassa significa che il fosfuro di niobio è leggermente disorganizzato, con solo nanocristalli in una matrice amorfa.

Fonte: Stanford Report

Con un’analisi più approfondita, sembra che l’alta conduttività sia guidata da canali conduttivi sulla superficie del film ultrafine.

Il film può essere depositato a soli 400°C (752°F), una temperatura sufficientemente bassa da non danneggiare i transistor di silicio vicini in un chip informatico. Pertanto, questo lo renderebbe un materiale ideale per collegare la componente interna di un chip con bassa resistenza e, di conseguenza, bassa produzione di calore.

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“Se devi realizzare fili cristallini perfetti, non funzionerà per la nanoelettronica.

Ma se puoi renderli amorfi o leggermente disordinati e ti forniscono comunque le proprietà necessarie, si apre la porta a potenziali applicazioni nel mondo reale.”

Yuri Suzuki – Professor of Applied Physics

Alta Conducibilità

Confrontato con i film normali di fosfuro di niobio, il film sottile da 5 nm era 6 volte più conduttivo. Questo era anche inferiore rispetto ai metalli abituali come il rame.

Quando è sottile 1,5 nm, il materiale era due volte più conduttivo del rame.

Quindi, questo è davvero il primo esempio di conduttori non cristallini a bassa temperatura che superano la conduttività dei metalli normali a nanoscala.

Fonte: Stanford Report

“L’elettronica ad altissima densità richiede connessioni metalliche molto sottili, e se questi metalli non conducono bene, si perde molta energia e potenza.

Materiali migliori potrebbero aiutarci a spendere meno energia nei piccoli fili e più energia effettivamente per il calcolo.”

Eric Pop – Professor of Electrical Engineering

I Prossimi Passi

Il passo successivo è testare in un chip reale quanto bene funzioni il filo di fosfuro di niobio quando applicato alla nanoelettronica, non solo per la conduttività ma anche per l’affidabilità e come possa essere integrato nel processo di produzione.

Per questo, dovranno prima costruire nanofili di fosfuro di niobio su scala industriale.

Un altro lavoro sarà verificare se questo concetto potrebbe essere meglio realizzato con altri semimetalli che potrebbero funzionare ancora meglio del niobio.

“Affinché questa classe di materiali venga adottata nelle future elettroniche, dobbiamo renderli conduttori ancora migliori. A tal fine, stiamo esplorando semimetalli topologici alternativi.”

Xiangjin Wu, uno studente di dottorato presso Stanford

La rimozione del calore è ora uno dei processi più energivori in questi data center, tanto quanto il calcolo stesso. Questo è particolarmente vero per i chip da 5‑3 nm, richiesti per l’addestramento dell’IA e i calcoli più complessi.

Quindi, a lungo termine, i materiali conduttivi a nanoscala saranno indispensabili, poiché la produzione di calore sta diventando un problema sempre più grande per i data center che utilizzano chip avanzati.

È anche possibile che i film ultrafini di fosfuro di niobio trovino altre applicazioni in tecnologie avanzate, soprattutto dove questo materiale è già utilizzato, come nei laser o nelle apparecchiature di telecomunicazione.

Investire in Materiali Conduttori Avanzati

Man mano che i chip avanzati e gli elementi dei semiconduttori diventano più piccoli, l’industria si concentra su una manciata di grandi produttori come TSMC (TSM ), Intel (INTC ) o Nvidia (NVDA ) (segui i link per rapporti dedicati per ciascuna di queste aziende).

Puoi investire in società legate ai semiconduttori tramite molti broker, e puoi trovare qui, su securities.io, le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Oppure, se preferisci un approccio più diversificato, puoi investire in ETF legati ai semiconduttori come l’iShares Semiconductor ETF (SOXX), il VanEck Semiconductor ETF (SMH), o il Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Puoi anche saperne di più sulla catena di fornitura delle attrezzature per la produzione di semiconduttori e le aziende chiave in “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.

Azienda di Materiali Avanzati per il Calcolo

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) è stata la forza trainante dietro la commercializzazione del primo computer mainframe. È stata anche il principale partner industriale dei ricercatori di Stanford per il loro progetto sul fosfuro di niobio.

L’azienda è rimasta indietro in termini di volume di produzione rispetto ad altri giganti tecnologici come Apple (AAPL ), TSMC e NVIDIA.

È, tuttavia, all’avanguardia nello sviluppo di nuovi materiali e tecnologie per il calcolo.

IBM è all’avanguardia nei progressi della tecnologia conduttiva, e i semimetalli topologici sono solo uno di questi campi. Quindi non è solo in vantaggio nei nuovi materiali conduttivi ultrafini, ma anche nei superconduttori ad alta temperatura.

Tali superconduttori sono cruciali per i computer quantistici. Recentemente, IBM ha sviluppato “Condor”, un processore quantistico a 1.121 qubit superconduttori basato sulla tecnologia del gate a cross‑resonance, insieme a “Heron”, un processore quantistico ai confini del settore.

Fonte: IBM

IBM è coinvolta nella maggior parte delle altre innovazioni all’avanguardia nel campo del calcolo e dell’industria dei semiconduttori. Queste includono materiali organici conduttivi, computazione neuromorfica, fotoniche, ecc.

Fonte: IBM

In una certa misura, IBM è diventata una “società di brevetti” con esperienza nello sviluppo di nuovi metodi di calcolo e nella loro concessione in licenza all’industria.

Finora, IBM sembra molto determinata a detenere il maggior numero possibile di brevetti chiave in tutti i metodi di calcolo non basati sul silicio, replicando il suo successo passato quando ha contribuito massicciamente allo sviluppo dell’industria dei semiconduttori fino a diventare il gigante che è oggi.

Il fosfuro di niobio e altre tecnologie legate ai semimetalli topologici si inserirebbero perfettamente in quella strategia, con IBM che sviluppa la tecnologia per sostituire il rame in questi casi, per poi concederla in licenza alle grandi fonderie di chip per le fasi di produzione.

Riferimento allo studio:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). Conduzione superficiale e ridotta resistività elettrica in un semimetallo non cristallino ultrafine NbP. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096}