アクティブ基板とニューロモルフィックコンピューティングでムーアの法則に追随する

新しい半導体が必要

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.

半導体産業はここ数十年で重要性が着実に高まり、産業用メインフレームコンピュータから、今日ではほぼすべての機械やデバイスの不可欠な部分へと変化しました。

この成長は半導体の複雑化と微細化の進展によって促進されました。しかし、シリコンの基本的な物理特性により、シリコンベースの半導体は限界に近づき始めています。

幸いなことに、シリコンだけが半導体特性、すなわち絶縁体（電流が流れない）と導体（電流が流れる）を切り替える能力を持つ唯一の材料ではありません。

新たな研究により、バナジウム酸化物などの革新的な半導体材料の基本的な物理や、これまで予想されていなかった二酸化チタンの半導体特性に関する新たな洞察が明らかになりました。

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.

バナジウムとムーアの法則

What makes vanadium dioxide a prime candidate for new semiconductor technology is the ability of vanadium to switch between metal — the “1” state — and insulator — the “0” state — in only a 1兆分の1秒 of a second.

これは「金属-絶縁体転移」を経験する現象として知られています。金属-絶縁体転移の速度が速いため、従来のシリコンベースの電子機器に比べて、より高速かつ小型の電子機器が実現できるはずです。

これは、半導体産業がムーアの法則に追随し続けるために不可欠です。

1965年に提唱されたムーアの法則は、半導体産業が2年ごとにチップ上のトランジスタ数を100％増加させるという経験則です。この法則は何十年も実証されてきましたが、シリコンチップの根本的な限界により、これを維持するには新しい材料がすぐに必要になるでしょう。

ムーアの法則は、1936年のライトの法則を半導体産業に適用したもので、製造コストは生産量が倍増するごとに最大15％削減されるとしています（当初は航空産業向けに開発された）。

Wright’s law is more a rule about the economy of scale and industrial efficiency when ramping up production. Meanwhile, Moore’s law is more about technological innovation and is driven by progress in understanding fundamental physics and nanometer-scale engineering.

新たな洞察

高度な手法

Until now, vanadium dioxide has only been analyzed and observed as an isolated component. While useful, this limited the understanding of what would actually happen in a semiconductor relying on vanadium dioxide.

Advanced Materials に掲載された彼らの論文 （「絶縁体から金属への転移中に結合した膜‑基板エラストダイナミクスのイン‑オペランド時空間イメージング」） では、研究者たちはいくつかの新発見をしました。

研究者はX線回折顕微鏡を用いて、原子レベルでの変化をリアルタイムかつ高精度で観測しました。

さらに、バナジウム酸化物を実際の半導体チップのように二酸化チタン基板の上に適用し、単独で研究するのではなく実装状態で調査しました。

出典: Advanced Materials

This was a massive endeavor, with the study itself taking more than 10 years and involving many research teams and a multi-disciplinary approach.

“この専門家たちを結集し、問題に対する理解を共有することで、個々の専門領域をはるかに超えて新たな発見ができました。” – ローマン・エンゲル＝ハーバート, ベルリンのポール・ドゥルーデ固体電子工学研究所所長

バナジウムの動き

The researchers observed for the first time that the vanadium dioxide bulged upward when changing to a metal. This went contrary to theoretical predictions which assumed that it would shrink.

出典: Advanced Materials

They discovered that a previously unsuspected effect from missing oxygen atoms was responsible for the swelling of the material.

“これらの中性酸素空孔は2つの電子の電荷を保持しており、材料が絶縁体から金属に変わる際に放出できます。残された酸素空孔は帯電し膨張し、デバイスで観測された驚くべき膨張を引き起こします。” – プロフェッサー・ベンカトラムン・ゴパラン, ペンシルベニア州立大学

チタン基板の予期せぬ活動

A quasi-dogma in semiconductor manufacturing is that only the thin film of semiconductor material on top of the substrate is active when submitted to a current. The substrate itself is an electrically and mechanically passive material.

本研究では、バナジウム酸化物半導体に関してはこの考え方が当てはまらないことが明らかになりました。

むしろ、従来は不活性と考えられていた二酸化チタンも、同じく欠損酸素原子が関与するメカニズムにより膨張します。

さらに、二酸化チタンの上層はバナジウム酸化物のように振る舞い、半導体として機能します。

This new discovery will be crucial in building prototypes of commercial vanadium dioxide semiconductors.

応用

より速く、より優れた半導体

Vanadium dioxide is considered a very promising material to carry semiconductor technology to the next level, due to a few fundamental characteristics:

• 絶縁体から金属への転移（IMT）は、1兆分の1秒という極めて高速で起こり、超高速計算への道を開きます。
• バナジウム酸化物は強く相関した電子効果を持ちます。簡単に言えば、電子間の反発を無視できず、シリコンベースの電子工学で現在行われているような単純化ができません。
  • これにより、高温超伝導や強化された磁気特性などの新たな機能の可能性が開かれます。

ニューロモルフィックコンピューティング

The discovery of the positive feedback process due to vacancy ionization from the missing oxygen atoms should reduce IMT time even further.

これは非常に重要な結果をもたらし、バナジウム酸化物が「ニューロモルフィックコンピューティング」と呼ばれる新しい計算方式に適した材料になる可能性を示しています。

ニューロモルフィックコンピューティングは、生体の脳やニューロンからインスピレーションを得たコンピュータシステムの手法です。

これは、現在AIや大規模言語モデル（LLM）で使用されている、ニューロンを模倣しようとするニューラルネットワークとは異なり、従来のシリコントランジスタに依存せず、主にソフトウェアベースの機械学習です。

したがって、ニューロモルフィックチップはハードウェアレベルで学習でき、二進出力（0と1）の代わりに信号のスパイクを生成します。

出典: Tech Target

Thanks to its very quick Insulator-To-Metal transition, vanadium dioxide with an active substrate of titanium dioxide could be used to create Mott neuron-like spiking oscillators able to replicate at the hardware level biological neurons.

概要

Vanadium dioxide semiconductors, neuromorphic computing, and Mott neuron-like spiking oscillators are at the very edge of material science and semiconductor design, probably at least a decade before reaching commercial viability.

この10年の期間は、シリコンベースの半導体がムーアの法則を維持できなくなる時期と正確に一致します。

ムーアの法則には、半導体がシリコンベースである必要があるという規定はありません。むしろ、より強力なチップへの需要がある限り、研究者はますます小さなスケールで半導体物理を学び続けるという経験的観測です。

現在、バナジウム酸化物と二酸化チタンをリアルタイムかつ原子レベルで研究していることを考えると、ムーアの法則が続くと期待でき、バナジウムのような材料が次の半導体設計のステップになると考えるのは妥当です。

And of course, other innovative ways of computing could also help keep Moore’s law on track, like photonics or quantum computing.

先進的半導体企業

1. Intel

Intelは半導体分野の大手で、創業者としての役割から、科学とイノベーションのリーダーへと年々進化し、台湾のTSMCなどの企業に製造量でトップの座を奪われました。

Intelはニューロモルフィックコンピューティングのリーダーでもあり、Loihi 2チップを通じてもその地位を確立しています。

出典: Intel [securities_stock_price_tag symbol="INTC" exchange="NASDAQ"]

また、IntelはIntel Neuromorphic Research Communityを創設し、今回のバナジウム酸化物研究に関わったペンシルベニア州立大学をはじめ、75以上の研究グループが参加しています。

出典: Intel

Intelは、脳の働きを再現することで生物学的感覚の模倣にも積極的であり（これ自体がニューロモルフィックコンピューティングの一分野です）、当記事「バイオミメティック嗅覚チップ：人工知能とE-ノーズは炭鉱の次のカナリアか？」でも詳しく論じました。

Overall, research from Intel Lab is at the forefront of semiconductor innovation, including AI, quantum computing, neuromorphic computing, etc. (we discuss Intel advances in quantum computing in our article “量子コンピューティングの現状”).

2. IBM

もう一つの歴史的なコンピューティング、半導体、チップ設計のパイオニアであるInternational Business Machines Corporation (IBM) (IBM ) は、ニューロモルフィックコンピューティングの研究も行っています。

また、DARPAの支援を受けて、SyNAPSE：スケーラブルでエネルギー効率の高いニューロシナプスコンピューティングを開発しており、ナノサイエンス、神経科学、スーパーコンピューティングを組み合わせて、感覚、知覚、行動、相互作用、認知といった脳の機能をシミュレート・エミュレートすることを目指しています。

同様に、量子コンピュータの開発でも最前線に立っています。例えば、127量子ビットの「Eagle」量子コンピュータを開発し、その後、433量子ビットのシステム「Osprey」や、1,121個の超伝導量子ビットを搭載した量子プロセッサ「Condor」を発表しました。

出典: All About Circuits

Intelと共に、IBMは量子コンピューティングやニューロモルフィックコンピューティングなどの新しい計算技術を最も積極的に推進する企業の一つであり、バナジウム酸化物のような材料の基礎原子物理学の理解が進むことで恩恵を受ける可能性があります。