Nanotechnologie die de Grenzen van Computing Verlegt met Snelheid en Efficiëntie

Geavanceerde computeringtechnologieën boeken grote vooruitgang in het bereiken van hoge snelheid en laag energieverbruik.

Belangrijke doorbraken op dit gebied omvatten nieuwe siliciumarchitecturen die gelaagde ontwerpen gebruiken om snellere en kleinere chips te bouwen tegen lagere kosten. Ondertussen maakt fotonic computing gebruik van lichtgolven om gegevens te verwerken en op te slaan. Met de snelheid van het licht simpelweg onovertreffelijk, kan dit hoge snelheid en lage latentie bieden.

Daarna is er biologische computing, waarbij informatie wordt gecodeerd en opgeslagen in biologische cellen, aangedreven door de vooruitgang in nanobiotechnologie. Kwantumcomputing biedt ook aanzienlijk potentieel, door complexe problemen sneller op te lossen dan de computers van vandaag door gebruik te maken van kwantumsuperpositie, verstrengeling en interferentie.

Bovendien bootst neuromorfe computing de neurale systemen van ons brein na om parallelle berekeningen uit te voeren; cloud computing verplaatst verwerking naar externe of virtuele locaties; en edge computing verplaatst verwerking van gecentraliseerde faciliteiten dichter bij eindgebruikers.

Al deze ontwikkelingen in computeringtechnologie, die zich richten op tools en systemen voor het verwerken, opslaan en communiceren van gegevens, hebben geleid tot ongekende vooruitgang in gebieden zoals kunstmatige intelligentie (AI) en data-analyse.

Voortdurend onderzoek op dit gebied heeft geleid tot blijvende en snelle innovatie in computermethoden, waarbij wetenschappers nu nog dieper gaan om betere, snellere en efficiëntere resultaten te behalen.

Doorbraak in Laser Nanoschaalfabricage in Silicium

Onderzoekers van Bilkent University, Turkije, hebben onlangs een belangrijke doorbraak behaald door een techniek te ontwikkelen voor het fabriceren van nanostructuren diep in siliciumwafers. 

De nieuwe methode maakt nanofabricage in silicium mogelijk via ruimtelijke lichtmodulatie en laserpulsen, waardoor geavanceerde nanostructuren worden gecreëerd die ten goede komen aan elektronica en fotonica.

De studie richtte zich op silicium, de basis van elektronica, fotonica en fotovoltaïsche systemen. Als halfgeleider ligt de elektrische geleidbaarheid van silicium tussen die van een isolator en een zuivere geleider. Het is het op één na meest voorkomende element in de aardkorst en bezit zowel metalen als niet‑metalen eigenschappen. Bovendien maken de uitstekende elektrische eigenschappen van silicium, waaronder de relatief kleine energiekloof, het een belangrijk materiaal in de halfgeleiderindustrie.

Echter, silicium is beperkt tot nanofabricage op het oppervlak vanwege de moeilijkheden die bestaande litografietechnieken met zich meebrengen. Huidige methoden kunnen ofwel de oppervlakte van de wafer niet doordringen zonder veranderingen te veroorzaken, of zijn beperkt door de resolutie van laserlithografie. Daarnaast staan bestaande technieken geen hoge‑precisie modulatie toe diep in de wafer.

Als apparaten konden direct rechtstreeks gefabriceerd worden in de massa van dit materiaal zonder de boven‑ of onderkant van de wafer te wijzigen, zou dat een nieuwe norm stellen.

Natuurlijk betekent dat het overwinnen van al deze uitdagingen van een fabricatieresolutie van meer dan 1 micron, terwijl tegelijkertijd multidimensionale nanoschaalcontrole binnen de wafer wordt bereikt. Het zou echter een magische vooruitgang zijn, waardoor 3D‑nanofotonica nieuwe functionaliteiten krijgt en leidt tot metasurfaces binnen Si. 

Het nieuwste onderzoek maakte gebruik van ruimtelijk gemoduleerde laserstralen en anisotropische feedback van vooraf gevormde ondergrondse structuren om dit te bereiken. Dit stelde het team in staat om gecontroleerde nanofabricagecapaciteit in Si te vestigen door materie op nanoschaal te manipuleren. 

Om het te verduidelijken, pakte het Bilkent‑team de uitdaging van complexe optische effecten binnen de wafer en de inherente diffractiegrens van het laserlicht aan door gebruik te maken van de unieke laserpuls, die werd gecreëerd door de ruimtelijke modulatie. De ruimtelijk gemoduleerde laserpulsen komen overeen met een Bessel‑functie.

De optische verstrooiingseffecten, die de precieze energieafzetting belemmerden, werden vervolgens overwonnen door de niet‑diffracterende aard van de speciale laserstraal. Deze niet‑diffracterende aard wordt gecreëerd met geavanceerde holografische projectietechnieken, die een precieze lokalisatie van energie mogelijk maken. Dit leidt tot voldoende hoge druk‑ en temperatuurniveaus om het materiaal in een klein volume te wijzigen. 

Volgens Onur Tokel, professor aan de afdeling Natuurkunde:

“Onze benadering is gebaseerd op het lokaliseren van de energie van de laserpuls binnen een halfgeleidermateriaal tot een extreem klein volume, zodat men opkomende veldversterkingseffecten kan benutten die analoog zijn aan die in plasmonica. Dit leidt tot sub‑wavelength en multidimensionale controle direct binnen het materiaal.”

Hij voegde toe:

“We kunnen nu nanofotonische elementen begraven in silicium fabriceren, zoals nanogratingen met hoge diffractie‑efficiëntie en zelfs spectrale controle.”

Dit werd gevolgd door een opkomend zaad‑effect, waarbij nano‑voids die zich onder het oppervlak vormden een sterke veldversterking in hun directe omgeving veroorzaakten. Eenmaal gevestigd, blijft de resulterende veldversterking zichzelf behouden, wat betekent dat de creatie van eerdere nanostructuren helpt bij het fabriceren van latere nanostructuren. 

Intussen bood het gebruik van laserpolarisatie onderzoekers extra controle over de uitlijning en symmetrie van nanostructuren op nanoschaal, waardoor nauwkeurige ontwikkeling van verschillende nano‑arrays mogelijk is.

“Door gebruik te maken van het anisotropische feedbackmechanisme dat wordt gevonden in het laser‑materiaal interactiesysteem, hebben we polarisatie‑gecontroleerde nanolithografie in silicium bereikt.”

– De hoofdonderzoeker van de studie, Dr. Asgari Sabet 

Deze nieuwe fabricagemethode heeft functiegroottes bereikt tot zo klein als 100 nm, wat een grote verbetering is ten opzichte van de conventionele regimes. 

Deze studie kan aanzienlijke implicaties hebben voor systemen op nanoschaal met specifieke structuren door grootschalige volumetrische nanostructurering met multidimensionale controle en kenmerken buiten de diffractielimiet te demonstreren. Volgens de onderzoekers kunnen potentiële toekomstige ontwikkelingen die voortvloeien uit deze studie onder meer metamaterialen, metasurfaces, informatieverwerkingsapplicaties en fotonische kristallen omvatten.

Het onderzoek toont ook een aanzienlijk potentieel voor integratie met on‑chip systemen, waarbij de geïntroduceerde nanograttingcapaciteit een stap in die richting is. De studie merkt op dat het ook de eerste multi‑layer Si‑fotonica vormt.

Over het algemeen heeft de studie een “nieuw fabricageparadigma voor silicium” geïntroduceerd. Het vermogen om op nanoschaal direct in silicium te fabriceren opent een nieuw regime voor verdere integratie en geavanceerde fotonica,” zei prof. Tokel. De volgende stap voor de studie is te onderzoeken of volledige 3D‑nanofabricage in Si kan worden bereikt. 

Klik hier om te leren hoe geavanceerde nanofotonica ons zal helpen een betere smartphone te bouwen.

Nanomaterialen die de Weg Baan voor Volgende Generatie Computing

Zoals we hierboven zagen, richten onderzoekers zich op nanostructuren voor betere resultaten. Nanotechnologie draait om het beheersen van materie op nanoschaal, variërend van 1 tot 100 nanometer in grootte. 

Op zo’n kleine schaal kunnen we unieke eigenschappen en gedrag van materialen ervaren, waardoor onderzoekers en ingenieurs ze kunnen manipuleren voor diverse toepassingen. Als gevolg hiervan heeft nanotechnologie brede implicaties in veel sectoren, waaronder energie, elektronica, geneeskunde en materiaalkunde.

Met een groot potentieel om enkele van ’s werelds meest urgente uitdagingen aan te pakken, evolueert nanotechnologie snel met voortdurende vooruitgangen en doorbraken, vooral in computing en elektronica. Nanotechnologie heeft daadwerkelijk sterk bijgedragen aan belangrijke vooruitgangen in deze sectoren, die hebben geleid tot snellere, kleinere en draagbare systemen.

Zo hebben nanomaterialen zoals grafeen en koolstofnanobuizen veelbelovend getoond bij het creëren van flexibele en transparante elektronica.

Nanostructuren hebben de velden van halfgeleiders en computing getransformeerd door de elektrische, optische en magnetische eigenschappen van materialen te verbeteren ten opzichte van hun bulk‑tegenhangers.

In deze context wordt vooruitgang geboekt in kwantumcomputing en -communicatie met behulp van nanoschaal‑kwantumbits. Daarnaast blijft onderzoek doorgaan om nanomaterialen te ontwikkelen voor batterijen met hoge capaciteit en snelladen, en supercondensatoren. Ondertussen maken vooruitgangen in nanoschaal‑fabricagetechnieken de creatie van miniaturiseerde apparaten en componenten met krachtige prestaties mogelijk.

Door de ontwikkeling van kleinere en efficiëntere apparaten zoals nanoschaal‑transistors en geheugenchips mogelijk te maken, heeft nanotechnologie de rekenkracht en opslagcapaciteit enorm vergroot, waardoor de grenzen van de wet van Moore worden verlegd.

De wet van Moore die hier wordt genoemd werd geformuleerd door Intel (INTC ) mede‑oprichter Gordon Moore, die stelde dat het aantal transistors op een enkele chip ongeveer elke twee jaar zou verdubbelen, met minimale kostenstijging.

Als we hiernaar kijken, begon de vervanging van vacuümbuizen door transistors in de jaren 1950 als belangrijkste component van elektronische schakelingen. Terwijl de eerste transistors meestal een centimeter lang waren, werden ze al snel gemeten in millimeters.

Snel vooruit naar het begin van deze eeuw, werd de grootte gereduceerd tot tussen de 130 en 250 nanometer, om vervolgens een decennium geleden nog verder te krimpen tot slechts 14 nanometer. Vervolgens, in 2015, halveerde IBM deze grootte door de eerste zeven‑nanometer transistor te creëren. Deze reis naar kleinere, maar betere en snellere transistors gaat tot op de dag van vandaag door.

In de afgelopen jaren is de kleinste transistorgrootte in productie gereduceerd tot 3 nm, waarbij IBM in mei 2021 een 2 nm transistor aankondigde, die kleiner is dan een DNA‑streng. We richten ons op transistors omdat ze fundamenteel zijn voor het aandrijven van bijna elk elektronisch apparaat.

Interessant genoeg, hoe kleiner deze transistors worden, hoe minder stroom ze verbruiken en hoe sneller ze worden. Veel mensen geloven echter dat je iets maar zo lang kleiner kunt maken, en uiteindelijk zullen we niet meer kunnen blijven verkleinen. Dan zijn nieuwe nanomaterialen en geavanceerde technologie nodig om onze apparaten te verbeteren.

Dit heeft wetenschappers ertoe aangezet zich te richten op technologieën zoals neuromorfe systemen, die de ontwikkeling van nieuwe kunstmatige neuronen en synapsen vereisen die de prestaties van standaard CMOS (complementary metal‑oxide‑semiconductor) circuits kunnen overtreffen.

Door kunstmatige neuronen en synapsen te gebruiken, simuleren deze computers hoe menselijke hersenen informatie verwerken. Dit stelt hen in staat patronen te herkennen, problemen op te lossen en beslissingen te nemen efficiënter en sneller dan huidige computers. Hoewel dit veld nog nieuw is, toont het potentieel in cognitieve computing, autonome voertuigen en AI, waar snelheid en efficiëntie belangrijk zijn.

Onderzoekers verkennen ook nieuwe klassen van materialen, zoals quantumdots en grafeen, om te voldoen aan de behoeften van geavanceerde computing. Recente studies hebben Quantum Dot Cellular Automata (QCA) onderzocht om nanoschaal computers te ontwerpen met verbeteringen in zowel snelheid als efficiëntie.

Naast grafeen worden 2D‑materialen zoals transition metal dichalcogeniden (2D‑TMD’s) overwogen voor gebruik in halfgeleiders. Het brede oppervlak van dit materiaal maakt efficiënte lichtinteractie mogelijk en verbetert de geschiktheid voor lichtmanipulatie, terwijl de ongebruikelijke ladingsdragermobiliteit de apparaatprestaties verhoogt. De duurzaamheid maakt het weerstandig voor diverse real‑world toepassingen.

Zoals hierboven opgemerkt, heeft het nieuwste onderzoek dat nanofabricage in silicium bereikt ook tot doel de volgende generatie siliciumgebaseerde chips mogelijk te maken met veel grotere verwerkingskracht.

Klik hier voor een lijst van topbedrijven die werken aan de vooruitgang van het nanotechnologieveld.

Bedrijven die Werken aan Geavanceerde Computing Technologie

Als we bedrijven in dit veld overwegen, levert Applied Materials (AMAT ) (AMAT) nanofabricagetechnologie voor geavanceerde halfgeleiders. Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) ontwikkelt high‑performance computing hardware en onderzoekt geavanceerde computingtechnologieën.

NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), bekend om zijn GPU’s, investeert ook sterk in onderzoek naar kwantumcomputing. Nvidia‑supercomputers worden gebruikt om kwantum‑annealing systemen te ontwikkelen om specifieke problemen op te lossen. NVIDIA, vaak aangeduid als de ‘AI‑darling’, heeft zijn aandelen dit jaar (YTD) met 157 % zien stijgen.

Het bedrijf noteerde recordverkopen van $26 bln in 1Q24, een stijging van 18 % ten opzichte van het vorige kwartaal en 262 % ten opzichte van een jaar eerder. Het bedrijf kondigde ook een tien‑voor‑één aandelensplitsing aan op 7 juni 2024, en verhoogde zijn kwartaaldividend tot $0.01.

Laten we nu een kijkje nemen bij de bedrijven die baanbrekend onderzoek doen naar geavanceerde computing, nanotechnologie en innovaties in chipontwerp.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) is een bekend technologiebedrijf dat betrokken is bij cloud‑ en AI‑mogelijkheden. Het richt zich op onderzoek naar kwantumcomputing en het vooruitstuwen van halfgeleidertechnologie.

In het afgelopen jaar introduceerde het bedrijf zijn nieuwste generatie kwantumprocessor, de IBM Heron, die 133 vaste‑frequentie qubits heeft en een drie‑ tot vijfvoudige verbetering in apparaatprestaties.

Volgens Jay Gambetta, VP bij IBM Quantum:

“De volledige kracht van het gebruik van kwantumcomputing zal worden aangedreven door generatieve AI om de ontwikkelaarservaring te vereenvoudigen.”

Het bedrijf heeft een marktkapitalisatie van $180.57 bln, en zijn aandelen worden verhandeld tegen $195.51, een stijging van 19.86 % YTD. Het dividendrendement is 3.41 %. Voor 2Q24 rapporteerde IBM een omzet van $15.8 bln, een stijging van 2 % ten opzichte van het voorgaande jaar.

De vrije kasstroom was ondertussen $2.6 bln, die het bedrijf verhoogde tot $12 bln voor de volledige jaarweergave, met $1.5 bln teruggegeven aan aandeelhouders in dividend gedurende de periode. Het bedrijf eindigde het kwartaal met $16 bln in cash, gereserveerde cash en verhandelbare effecten. Terwijl IBM’s expertise in enterprise AI en zijn generatieve AI‑business die sinds de lancering van Watsonx een jaar geleden meer dan $2 bln heeft bereikt, zei IBM‑CEO Arvind Krishna:

“We hadden een sterk tweede kwartaal, dat onze verwachtingen overtrof.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) innoveert chipontwerpen en onderzoekt neuromorfe en kwantumcomputing. Deze halfgeleiderchipfabrikant is de uitvinder van de x86‑serie microprocessoren, die gevonden worden in de meeste personal computers. Het bedrijf werkt momenteel aan het terugwinnen van zijn voorsprong in de wereldwijde chipproductie, waarvoor het financiering kreeg via subsidies en leningen van de Amerikaanse overheid.

Door neuromorfe research streeft Intel ernaar de toekomst van adaptieve AI te versnellen door geoptimaliseerde hardware te co‑ontwerpen met next‑generation AI‑software. Daarnaast heeft Intel de Intel Neuromorphic Research Community (INRC) opgericht. Deze wereldwijde samenwerking verenigt teams van onderzoeksinstellingen, academische groepen, bedrijven en overheidslaboratoria om de grens van hersen‑geïnspireerde AI te verleggen.

Het bedrijf heeft een marktkapitalisatie van $89.56 bln, en zijn aandelen worden verhandeld tegen $21.06, een daling van 58.23 % YTD. Voor 2Q24 rapporteerde Intel “teleurstellende” financiële resultaten, met een omzet van $12.8 bln, een daling van 1 % jaar‑op‑jaar, terwijl de non‑GAAP EPS $0.02 bedroeg. Het bedrijf kondigde een geschorst dividend aan vanaf het vierde kwartaal van 2024 terwijl het zijn “lange termijn verbintenis aan een concurrerend dividend” herbevestigde naarmate de kasstromen verbeteren tot duurzaam hogere niveaus.

Conclusie

Geavanceerde computing, die zich richt op nieuwe methoden en technologieën die innovatieve rekenmethoden aandrijven, trekt aanzienlijke interesse van bedrijven, onderzoekers, ingenieurs en overheden. Uiteindelijk is het fundamenteel voor cyberbeveiliging, financiële markten en vele andere kritieke infrastructuren. Bovendien wordt het wijdverspreide gebruik van AI ondersteund door geavanceerde rekenkracht, samen met data, algoritmen en microchips.

In de afgelopen decennia hebben vooruitgangen in computeringtechnologie de prestaties en functionaliteit van apparaten die we regelmatig gebruiken aanzienlijk verbeterd, waardoor de groei van de digitale economie wordt aangewakkerd. Gezien de diepgaande impact op de samenleving, is voortgezet onderzoek en ontwikkeling een must om te voldoen aan de eisen van energie‑intensieve berekeningen en de weg te banen voor geavanceerde computing, waardoor de creatie van producten en diensten mogelijk wordt die voorheen onvoorstelbaar waren.

Klik hier voor een lijst van de beste nanotechnologie‑aandelen.