Moore’s Law bijhouden met actieve substraten en neuromorfe computing

Nieuwe halfgeleiders nodig

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.

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

Gelukkig is silicium verreweg niet het enige materiaal dat halfgeleider‑eigenschappen vertoont, oftewel het vermogen om te schakelen tussen een toestand waarin het als isolator werkt (geen elektriciteit doorlaat) en een geleider (elektriciteit doorlaat).

Nieuw onderzoek onthult nieuwe inzichten in de fundamentele fysica van innovatieve halfgeleidermaterialen zoals vanadiumdioxide en eerder onverwachte halfgeleider‑eigenschappen van titaandioxide.

The onderzoek 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.

Vanadium & Moore’s Law

Wat vanadiumdioxide een uitstekende kandidaat maakt voor nieuwe halfgeleidertechnologie is het vermogen van vanadium om in slechts een biljoenste van een seconde te schakelen tussen metaal — de “1”‑toestand — en isolator — de “0”‑toestand.

Dit is een fenomeen dat bekend staat als “ondergaan van metaal‑isolatorovergangen”. De snelheid van de metaal‑isolatorovergang zou snellere en kleinere elektronica moeten mogelijk maken vergeleken met klassieke siliciumgebaseerde elektronica.

Dit is essentieel als we willen dat de halfgeleiderindustrie Moore’s Law bijhoudt.

Formuleerd in 1965, is Moore’s Law de empirische wet dat de halfgeleiderindustrie het aantal transistors op een chip elke twee jaar met 100 % verhoogt. Dit is sindsdien tientallen jaren waar gebleven, maar de fundamentele grenzen van siliciumchips betekenen dat er binnenkort nieuwe soorten materialen nodig zullen zijn om dit waar te houden.

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

De Wright‑wet is meer een regel over schaalvoordelen en industriële efficiëntie bij opschalen van de productie. Moore’s law daarentegen gaat meer over technologische innovatie en wordt gedreven door vooruitgang in het begrijpen van fundamentele fysica en nanometerschaal‑engineering.

Nieuwe inzichten

Geavanceerde methoden

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

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 röntgendiffractie‑microscopie om veranderingen in realtime en met precisie op atomair niveau te observeren.

En ze brachten het vanadiumdioxide aan op een titaandioxide‑substraat, zoals het in een echte halfgeleiderchip zou zijn, in plaats van het in isolatie te bestuderen.

Bron: Advanced Materials

Dit was een enorme onderneming, waarbij de studie zelf meer dan 10 jaar in beslag nam en vele onderzoeksteams en een multidisciplinaire aanpak betrof.

“Door deze experts samen te brengen en onze kennis van het probleem te bundelen, konden we ver buiten onze individuele expertise reiken en iets nieuws ontdekken.” – Roman Engel-Herbert, directeur van het Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlijn

Bewegingen van vanadium

De onderzoekers zagen voor het eerst dat het vanadiumdioxide omhoog bultte bij de overgang naar metaal. Dit stond haaks op theoretische voorspellingen die uitgingen van een krimp.

Bron: Advanced Materials

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

“Deze neutrale zuurstofvacatures dragen een lading van twee elektronen, die ze kunnen vrijgeven wanneer het materiaal van isolator naar metaal schakelt. De achtergebleven zuurstofvacature is nu geladen en zwelt op, wat leidt tot het waargenomen verrassende opzwellen in het apparaat.”
Prof. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Onverwachte activiteit van titaansubstraat

Een quasi‑dogma in de halfgeleiderfabricage is dat alleen de dunne film van halfgeleidermateriaal bovenop het substraat actief is wanneer er een stroom doorheen wordt gestuurd. 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 zwelt het voorheen als inert beschouwde titaandioxide ook, door hetzelfde mechanisme van ontbrekende zuurstofatomen.

Bovendien gedroeg de bovenste laag titaandioxide zich als vanadiumdioxide en functioneerde ook als een halfgeleider.

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

Toepassingen

Snellere, betere halfgeleiders

Vanadiumdioxide wordt beschouwd als een zeer veelbelovend materiaal om de halfgeleidertechnologie naar een hoger niveau te tillen, vanwege enkele fundamentele kenmerken:

• De Insulator‑To‑Metal (IMT) treedt op met een extreme snelheid van een biljoenste van een seconde, waardoor ultra‑snelle berekeningen mogelijk worden.
• Vanadiumdioxide heeft sterk gecorreleerde elektronische effecten. Simpel gezegd betekent dit dat afstoting tussen elektronen niet kan worden genegeerd, zoals momenteel gebeurt in siliciumgebaseerde elektronica.
  • Dit opent op zijn beurt de mogelijkheden voor nieuwe functionaliteiten zoals hogetemperatuursupergeleiding en verbeterde magnetische eigenschappen.

Neuromorfe computing

De ontdekking van het positieve terugkoppelingsproces door vacatur‑ionisatie van de ontbrekende zuurstofatomen zou de IMT‑tijd nog verder moeten verkorten.

Dit heeft zeer belangrijke consequenties, omdat het vanadiumdioxide potentieel het juiste materiaal maakt voor een nieuw type berekening genaamd neuromorphic computing.

Neuromorphic computing is een methode waarbij computersystemen inspiratie halen uit de hersenen van levende systemen met neuronen.

Dit verschilt van de neurale netwerken die momenteel door AI en LLM’s worden gebruikt en proberen neuronen te imiteren, maar nog steeds afhankelijk zijn van klassieke siliciumtransistors en grotendeels software‑gebaseerd machine‑learning.

Dus, neuromorfe chips zouden op hardware‑niveau kunnen leren. En in plaats van binaire output (0’s en 1’s) zouden ze signaalpieken produceren.

Bron: Tech Target

Dankzij de zeer snelle Insulator‑To‑Metal‑overgang kan vanadiumdioxide met een actief substraat van titaandioxide worden gebruikt om Mott neuron‑achtige spikende oscillatoren te creëren die op hardware‑niveau biologische neuronen kunnen repliceren.

Overzicht

Vanadiumdioxide‑halfgeleiders, neuromorphic computing en Mott neuron‑achtige spikende oscillatoren bevinden zich aan de absolute rand van de materiaalkunde en halfgeleiderontwerp, waarschijnlijk nog minstens een decennium verwijderd van commerciële haalbaarheid.

Dit decennium is precies het moment waarop we moeten verwachten dat siliciumgebaseerde halfgeleiders beginnen te falen in het handhaven van Moore’s law.

Er staat niets in Moore’s law dat halfgeleiders silicongebaseerd moeten zijn. Het is eerder een empirische observatie dat zolang er vraag is naar krachtigere chips, onderzoekers steeds meer leren over halfgeleiderfysica op steeds kleinere schaal.

Aangezien we nu vanadium- en titaandioxiden bestuderen in realtime en op atomair niveau, lijkt het redelijk te verwachten dat Moore’s law standhoudt en materialen zoals vanadium de volgende stap in halfgeleiderontwerp zullen zijn.

En uiteraard kunnen andere innovatieve rekenmethoden, zoals fotonica of quantumcomputing, ook bijdragen aan het handhaven van Moore’s law.

Geavanceerde halfgeleiderbedrijven

1. Intel

Intel (INTC ) is een reus in de halfgeleidersector en is door de jaren heen geëvolueerd van een oprichter van de industrie tot een wetenschappelijk en innovatief leider, waarbij het de toppositie in productievolume heeft verloren aan bedrijven zoals Taiwan’s TSMC.

Intel is een leider in neuromorphic computing, onder meer via zijn Loihi 2‑chip.

Bron: Intel

Het heeft ook de Intel Neuromorphic Research Community opgericht, die onder andere de Pennsylvania State University omvat, die betrokken was bij dit recente vanadiumdioxide‑onderzoek, evenals meer dan 75 andere onderzoeksgroepen.

Bron: Intel

Intel is ook zeer actief in het nabootsen van biologische zintuigen door de manier waarop ons brein werkt te repliceren (zelf een tak van neuromorphic computing), iets wat we verder bespraken in ons artikel “Biomimetic Olfactory Chips: Are Artificial Intelligence and E-Noses the Next Canary in a Coal Mine?”.

Over het algemeen staat onderzoek van Intel Lab in de voorhoede van halfgeleiderinnovatie, inclusief AI, quantumcomputing, neuromorphic computing, enz. (we bespreken Intel’s vooruitgang in quantumcomputing in ons artikel “The Current State of Quantum Computing ”).

2. IBM

Een andere historische pionier in computing, halfgeleiders en chipontwerp, International Business Machines Corporation (IBM) onderzoekt ook neuromorphic computing (IBM ).

Het ontwikkelt ook SyNAPSE: Scalable energy-efficient neurosynaptic computing, ondersteund door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), om “nanowetenschap, neurowetenschap en supercomputing te combineren om de mogelijkheden van de hersenen voor sensatie, perceptie, actie, interactie en cognitie te simuleren en te emuleren”.

Het staat eveneens in de voorhoede van de ontwikkeling van quantumcomputers. Bijvoorbeeld, het ontwikkelde zijn 127‑qubit “Eagle” quantumcomputer, gevolgd door een 433‑qubit systeem bekend als “Osprey” en de 1.121‑supergeleidend‑qubit quantumprocessor “Condor”.

Bron: All About Circuits

Samen met Intel behoort IBM tot de bedrijven die het meest agressief nieuwe vormen van reken‑technologieën, zoals quantum- en neuromorphic computing, stimuleren, en zal waarschijnlijk profiteren van de vooruitgang in het begrijpen van de fundamentele atomaire fysica van materialen zoals vanadiumdioxide.