Het bijhouden van de voortgang van Moore’s Law met actieve substraten en neuromorf computeren

Nieuwe halfgeleiders nodig

De halfgeleiderindustrie is de afgelopen decennia constant in belang gegroeid, van industriële mainframe-computers tot een essentieel onderdeel van vrijwel elke machine en apparaat vandaag.

Deze groei is gedreven door de toenemende complexiteit en miniaturisatie van halfgeleiders. Echter, vanwege de fundamentele fysieke eigenschappen van silicium, bereiken siliciumgebaseerde halfgeleiders nu enkele grenzen.

Gelukkig is silicium verre van het enige materiaal dat halfgeleidereigenschappen vertoont, oftewel de mogelijkheid om te schakelen tussen een staat waarin het werkt als een isolator (geen elektriciteit doorlatend) en een geleider (elektriciteit doorlatend).

Nieuw onderzoek biedt nieuwe inzichten in de fundamentele fysica van innovatieve halfgeleidermaterialen zoals vanadiumdioxide en eerder onverwachte halfgeleidereigenschappen van titaandioxide.

Het onderzoek werd uitgevoerd door een multidisciplinair onderzoeksinspanning door onderzoekers aan de Pennsylvania State University, Cornell University, Argonne National Laboratory, Georgia Institute of Technology en het Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlijn.

Vanadium & Moore’s Law

Wat vanadiumdioxide tot een prima kandidaat maakt voor nieuwe halfgeleidertechnologie, is de mogelijkheid van vanadium om te schakelen tussen metaal — de “1”-toestand — en isolator — de “0”-toestand — in slechts een triljoenste van een seconde.

Dit is een fenomeen bekend als “ondergaan van metaal-isolatorovergangen”. De snelheid van de metaal-isolatorovergang zou moeten leiden tot snellere en kleinere elektronica in vergelijking met klassieke siliciumgebaseerde elektronica.

Dit is essentieel als we willen dat de halfgeleiderindustrie de pas houdt met Moore’s Law.

Gevormuleerd in 1965, is Moore’s Law de empirische wet dat de halfgeleiderindustrie het aantal transistors op een chip verdubbelt om de twee jaar. Dit is decennialang waar gebleven, maar de fundamentele grenzen aan siliciumchips betekenen dat nieuwe soorten materialen binnenkort nodig zullen zijn om dit waar te maken.

Moore’s wet is een toepassing op de halfgeleiderindustrie van Wright’s wet uit 1936, die stelt dat de productiekosten met 15% dalen voor elke verdubbeling van de productie (oorspronkelijk ontwikkeld voor de luchtvaartindustrie).

Wright’s wet is meer een regel over de economie van schaal en industriële efficiëntie bij het opschalen van de productie. Moore’s wet daarentegen is meer over technologische innovatie en wordt gedreven door vooruitgang in het begrijpen van fundamentele fysica en nanoschaaltechniek.

Nieuwe inzichten

Geavanceerde methoden

Tot nu toe is vanadiumdioxide alleen geanalyseerd en waargenomen als een geïsoleerd component. Hoewel nuttig, beperkte dit het begrip van wat er eigenlijk zou gebeuren in een halfgeleider die van vanadiumdioxide gebruikmaakt.

In hun publicatie in Advanced Materials (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition“), deden de onderzoekers verschillende nieuwe ontdekkingen.

Ze gebruikten röntgendiffractiemicroscopie om veranderingen in real-time en met precisie op atomaire niveau waar te nemen.

En ze pasten vanadiumdioxide toe op een titaandioxide-substraat, zoals het zou zijn in een echte halfgeleiderchip, in plaats van het in isolatie te bestuderen.

Source: Advanced Materials

Dit was een enorm onderzoek, met een studie die meer dan 10 jaar duurde en waarbij veel onderzoeksteams en een multidisciplinaire aanpak betrokken waren.

“Door deze experts samen te brengen en onze kennis van het probleem te delen, konden we verder gaan dan ons individuele bereik van expertise en iets nieuws ontdekken.” – Roman Engel-Herbert, Directeur van het Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlijn

Vanadium-bewegingen

De onderzoekers observeerden voor het eerst dat vanadiumdioxide omhoog bolde toen het overschakelde naar metaal. Dit ging in tegen theoretische voorspellingen die aannamen dat het zou krimpen.

Source: Advanced Materials

Ze ontdekten dat een eerder onverwacht effect van ontbrekende zuurstofatomen verantwoordelijk was voor de zwelling van het materiaal.

“Deze neutrale zuurstofvacancies hebben een lading van twee elektronen, die ze kunnen vrijgeven wanneer het materiaal overschakelt van een isolator naar een metaal. De zuurstofvacancy die achterblijft is nu geladen en zwelt op, waardoor de verrassende zwelling in het apparaat ontstaat.”

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Titaan-substraat onverwachte activiteit

Een soort dogma in halfgeleiderfabricage is dat alleen de dunne film van halfgeleidermateriaal op het substraat actief is wanneer het wordt onderworpen aan een stroom. Het substraat zelf is een elektrisch en mechanisch passief materiaal.

In deze studie ontdekten de onderzoekers dat dit niet het geval is voor vanadiumdioxide-halfgeleiders.

In plaats daarvan zwol het eerder als inerte titaandioxide ook op, vanwege hetzelfde mechanisme met ontbrekende zuurstofatomen.

Bovendien gedroeg de bovenste laag van titaandioxide zich als vanadiumdioxide, waardoor het ook als een halfgeleider fungeerde.

Deze nieuwe ontdekking zal cruciaal zijn bij het bouwen van prototypes van commerciële vanadiumdioxide-halfgeleiders.

Toepassingen

Snelere, betere halfgeleiders

Vanadiumdioxide wordt beschouwd als een veelbelovend materiaal om halfgeleidertechnologie naar het volgende niveau te brengen, vanwege een aantal fundamentele kenmerken:

• De isolator-tot-metaalovergang (IMT) vindt plaats met een extreem hoge snelheid van een triljoenste van een seconde, waardoor ultrasnelle berekeningen mogelijk worden.
• Vanadiumdioxide heeft sterk gecorreleerde elektronische effecten. In eenvoudige bewoordingen betekent dit dat de afstoting tussen elektronen niet kan worden genegeerd, zoals momenteel in siliciumgebaseerde elektronica het geval is.
  • Dit opent de mogelijkheden voor nieuwe functionaliteiten zoals hoge-temperatuursupergeleiding en verbeterde magnetische eigenschappen.

Neuromorf computeren

De ontdekking van het positieve feedbackproces als gevolg van vacuümiolisatie van de ontbrekende zuurstofatomen zou de IMT-tijd nog verder moeten verkorten.

Dit heeft zeer belangrijke gevolgen, aangezien het vanadiumdioxide potentieel het juiste materiaal kan zijn voor een nieuwe berekeningsmethode genaamd neuromorf computeren.

Neuromorf computeren is een methode waarbij computersystemen inspiratie putten uit de hersenen van levende systemen met neuronen.

Dit verschilt van de neurale netwerken die momenteel door AI en LLM’s worden gebruikt en die proberen neuronen na te bootsen, maar nog steeds klassieke siliciumtransistors gebruiken en voornamelijk software-gebaseerde machine learning zijn.

Dus, neuromorfe chips zouden op hardware-niveau kunnen leren. En in plaats van binaire uitvoer (0’en en 1’en), zouden ze signalen in de vorm van spikes produceren.

Source: Tech Target

Dankzij de zeer snelle isolator-tot-metaalovergang van vanadiumdioxide met een actief titaandioxide-substraat, zou het mogelijk zijn om Mott-neuron-achtige spiking oscillators te creëren die biologische neuronen op hardware-niveau kunnen repliceren.

Overzicht

Vanadiumdioxide-halfgeleiders, neuromorf computeren en Mott-neuron-achtige spiking oscillators bevinden zich aan de rand van materiaalwetenschap en halfgeleiderontwerp, waarschijnlijk minstens een decennium voordat ze commercieel haalbaar zijn.

Deze tijdsperiode van een decennium is precies wanneer we kunnen verwachten dat siliciumgebaseerde halfgeleiders zullen beginnen te falen in het nakomen van Moore’s Law.

Er is niets in Moore’s Law dat zegt dat halfgeleiders op silicium gebaseerd moeten zijn. Het is eerder een empirische observatie dat zolang er een vraag is naar krachtigere chips, onderzoekers meer leren over halfgeleiderfysica op een kleiner en kleiner schaalniveau.

Gezien het feit dat we nu vanadium en titaandioxide bestuderen, in real-time en op atomaire niveau, lijkt het redelijk om te verwachten dat Moore’s Law standhoudt en dat materialen zoals vanadium de volgende stap in halfgeleiderontwerp zullen zijn.

En natuurlijk kunnen ook andere innovatieve manieren van computeren helpen om Moore’s Law op koers te houden, zoals fotonica of quantumcomputing.

Geavanceerde halfgeleiderbedrijven

1. Intel

Intel is een reus in de halfgeleidersector en is in de loop der jaren geëvolueerd van een pionier in de industrie tot een wetenschappelijke en innovatieve leider, waarbij het de toppositie van productievolumen verloor aan bedrijven als Taiwan’s TSMC.

Intel is een leider in neuromorf computeren, waaronder via zijn Loihi 2-chip.

Source: Intel

Het creëerde ook de Intel Neuromorphic Research Community, die de Pennsylvania State University omvat, die betrokken was bij dit recente vanadiumdioxide-onderzoek, evenals 75+ andere onderzoeksgroepen.

Source: Intel

Intel is ook zeer actief in het nabootsen van biologische zintuigen door de werking van onze hersenen na te bootsen (zelf een tak van neuromorf computeren), iets waarover we verder spraken in ons artikel “Biomimetische olfactorische chips: zijn kunstmatige intelligentie en e-neuzen de volgende kanarie in de kolenmijn?”

Al met al is onderzoek van Intel Lab aan de voorlopers van halfgeleiderinnovatie, waaronder AI, quantumcomputing, neuromorf computeren, enz. (we bespreken Intel-vooruitgang in quantumcomputing in ons artikel “De huidige staat van quantumcomputing”).

2. IBM

Een andere historische pionier in computertechnologie, halfgeleiders en chipontwerp, International Business Machines Corporation (IBM) onderzoekt ook neuromorf computeren.

Het ontwikkelt ook SyNAPSE: Scalable energy-efficient neurosynaptic computing, gesteund door Defense Advanced Research Programs Agency (DARPA), om “nanowetenschap, neurowetenschap en supercomputing te combineren om de mogelijkheden van het brein voor gewaarwording, perceptie, actie, interactie en cognitie te simuleren en nabootsen”.

Het is eveneens aan de voorlopers van de ontwikkeling van quantumcomputers. Zo ontwikkelde het zijn 127-qubit “Eagle”-quantumcomputer, die werd gevolgd door een 433-qubit-systeem bekend als “Osprey” en het 1.121 supergeleidende qubit-quantumprocessor “Condor”.

Source: All About Circuits

Samen met Intel is IBM een van de bedrijven die het meest actief zijn in het stimuleren van nieuwe vormen van computertechnologie, zoals quantum- en neuromorf computeren, en zal waarschijnlijk profiteren van de vooruitgang die is geboekt in het begrijpen van de fundamentele atoomfysica van materialen zoals vanadiumdioxide.