Top 10 Niet‑Silicon Computing Bedrijven

Van Silicium naar Nieuwe Vormen van Computing

De computerindustrie is ontstaan toen mechanische apparaten begonnen met het uitvoeren van berekeningen die tot dan toe voorbehouden waren aan de menselijke hersenen. Maar het waren de vacuümbuisjes en later de transistoren die echte computers mogelijk maakten.

De volgende revolutie waren de siliciumcomputerchips, met steeds hogere transistor-dichtheid voor steeds krachtigere rekenprestaties.

Bron: Mobile First

Momenteel experimenteert de halfgeleiderindustrie met steeds krachtigere systemen om chips te maken in het 5nm‑ en zelfs 2nm‑bereik. Dit brengt ons steeds dichter bij een probleem, want op een gegeven moment zal het niet meer mogelijk zijn om steeds kleinere siliciumtransistoren te gebruiken.

Een enkel siliciumatoom is een theoretische limiet, maar praktische technische problemen zullen waarschijnlijk eerder optreden dan die drempel.

Zal de rekenkracht vanaf hier stoppen met groeien? Waarschijnlijk niet.

De oplossing zal echter zijn om berekeningen uit te voeren met volledig nieuwe principes. Er zijn eigenlijk veel potentiële manieren om te computeren zonder te vertrouwen op siliciumtransistoren. We kunnen de meest veelbelovende ideeën bekijken zonder in technische details te treden.

Niet‑Silicon Halfgeleiders

Een halfgeleider is een materiaal dat kan schakelen tussen geleidend (verzendt elektrische stroom, creëert een “1” in binair) of isolerend (blokkeert elektrische stroom, creëert een “0” in binair).

Silicium is het materiaal van keuze geweest voor het maken van halfgeleiderchips, maar er worden nu veel alternatieven onderzocht. Elk materiaal dat een zogenaamd bandgap vertoont, kan een goede kandidaat zijn.

Bron: Energy Education

Vanadiumdioxide

Al lange tijd werd vanadiumdioxide gezien als een goede optie om silicium te vervangen. Dit komt doordat het een fenomeen ondergaat dat bekend staat als “metaal‑isolator‑overgangen”, die slechts een biljoenste van een seconde duren.

De snelheid van de metaalsoorator‑overgang zou snellere en kleinere elektronica moeten mogelijk maken in vergelijking met klassieke silicium‑gebaseerde elektronica.

Recente onderzoeken hebben vanadiumdioxide bestudeerd dat is afgezet op een substraten van titaandioxide.

Ze ontdekten ook dat titaandioxide zelf een halfgeleider kan zijn. Deze ontdekking zou de creatie van neuromorfe chips kunnen mogelijk maken die op hardware‑niveau kunnen leren, geïnspireerd door de hersenen van levende systemen met neuronen.

Dankzij de zeer snelle isolator‑naar‑metaal‑overgang zou vanadiumdioxide met een actief substraten van titaandioxide kunnen worden gebruikt om Mott‑neuron‑achtige spikende oscillatoren te creëren die op hardware‑niveau biologische neuronen kunnen repliceren.

Graphene

Een andere veelbelovende kandidaat is graphene, een 2D‑materiaal met extreem hoge elektrische geleidbaarheid. Het is zelfs een potentiële supergeleider en een “wondermateriaal” waarvan de eigenschappen nog in realtime worden ontdekt.

U kunt meer lezen over de eerste succesvolle pogingen om graphene tot een halfgeleider te maken in ons artikel “Graphene Halfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?”.

Organische Materialen

Volgens een recente ontdekking kunnen organische materialen worden gedwongen een 2D‑structuur te vormen die lijkt op graphene. Dit zou ze net zo ultra‑geleidend kunnen maken als graphene, terwijl ze van nature halfgeleider‑eigenschappen vertonen, in tegenstelling tot graphene dat “geforceerd” moet worden.

U kunt meer leren over deze optie in “Kunnen Organische Halfgeleiders de Voordelen van Graphene & Silicium Combineren?”.

Optimaliseren van het Energieverbruik van Halfgeleiders

Een probleem bij het gebruik van steeds snellere en kleinere transistoren is het toenemende energieverbruik.

Een alternatief zou kunnen zijn om een techniek genaamd “redox‑gating” te gebruiken. Deze leunt meer op een chemische reactie (redox) en zou het energieverbruik drastisch kunnen verminderen.

Als de kosten van computing meer door energie dan door de chips zelf worden bepaald, zou dit een oplossing kunnen zijn die we ook gaan zien. We onderzochten het laatste nieuws over dit onderwerp in “Redox‑Gating Kan Leiden tot Nieuwe Niveaus van Efficiëntie in Mini‑Elektronica”.

Fotonic

Alternatieve halfgeleider‑materialen proberen silicium te vervangen. Maar wat als computing volledig zonder elektronen, transistoren en halfgeleiders zou plaatsvinden?

Dit is het idee van fotonic, waarbij men probeert direct met licht te rekenen.

Licht is het snelste in het universum, dus het zou orders van grootte sneller kunnen zijn dan silicium‑ en halfgeleider‑gebaseerde computing.

In de praktijk kan fotonic nog steeds silicium omvatten maar kan ook steunen op kristallen.

Door de golflike aard van licht is fotonic‑ontwerp afhankelijk van krommen en unieke (en nog niet volledig technologisch volwassen) ontwerpprincipes die verschillen van die voor halfgeleiders.

Bron: Synopsis

Quantum Computing

Computing kan ook worden uitgevoerd door niet de elektrische stroom te meten, maar de kwantum‑toestand van deeltjes.

In plaats van 0 en 1 (geen stroom of stroom) te genereren, gebruikt het “quantumbits”, of qubits, waarbij de deeltjesdata zowel 0 EN 1 tegelijk kan zijn, of 1, of 0.

Door het fundamentele verschil in berekening is quantum computing geen alternatief voor “normale” computing, maar eerder een aanvulling.

Standaard computing werkt lineair en heeft moeite met zeer complexe berekeningen, zoals klimaatmodellering, cryptografie, of de 3D‑configuratie van complexe moleculen zoals eiwitten. En dit is precies het type berekening waar quantum computing naar verwachting in uitblinkt.

Dus, hoewel het misschien silicon niet vervangt, kunnen quantumcomputers betere taken uitvoeren die voor siliconchips bijna onmogelijk waren.

U kunt meer lezen over het laatste nieuws in quantum computing in ons artikel “De Huidige Staat van Quantum Computing ”.

Biologische Organoïden

Onze hersenen zijn in feite supercomputers, althans voor processen zoals patroonherkenning, taal, enz. En ze zijn daar zeer efficiënt in, met een verbruik van slechts enkele tientallen watt.

Een Zwitserse startup, FinalSpark, heeft nu een bol van 0,5 mm (organoïden) ontwikkeld bestaande uit 10.000 menselijke neuronen. En gebruikt deze om berekeningen uit te voeren. De dienst zal zelfs via de cloud toegankelijk zijn.

Dit is een zeer nieuw veld, en het is nog onduidelijk hoe ver het zal gaan. Maar wie weet, misschien draaien onze zelfrijdende apparaten op neuronen in plaats van chips.

Top 10 Niet‑Silicon Aandelen

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) was de drijvende kracht achter de commercialisering van de eerste mainframe‑computer. Echter, het is achtergebleven in productievolume ten opzichte van andere tech‑reuzen zoals Apple (AAPL ), TSMC en NVIDIA (NVDA ).

Het staat echter wel in de voorhoede van de ontwikkeling van quantumcomputers. Zo ontwikkelde het de 127‑qubit “Eagle” quantumcomputer, gevolgd door een 433‑qubit systeem genaamd “Osprey”.

En dit wordt nu gevolgd door “Condor”, een 1.121‑supergeleidende qubit quantum‑processor gebaseerd op cross‑resonance‑gate‑technologie, samen met “Heron”, een quantum‑processor die zich op het uiterste van het veld bevindt.

IBM is betrokken bij de meeste andere baanbrekende innovaties in computing en de halfgeleiderindustrie. Deze omvatten geleidende organische materialen, neuromorfe computing, fotonic, enz.

In zekere zin is IBM een “patent‑bedrijf” geworden met expertise in het ontwikkelen van nieuwe rekenmethoden en het licentiëren daarvan aan de industrie.

Tot nu toe lijkt het zeer vastberaden om zoveel mogelijk kernpatenten te bezitten in alle niet‑silicon‑rekenmethoden die het kan krijgen, waardoor het zijn vroegere succes herhaalt door massaal bij te dragen aan de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie.

2. Microsoft Corporation

Al een leider in “normale” clouddiensten, is Microsoft (MSFT ) een pionier in het aanbieden van quantum‑cloud‑diensten met Azure Quantum.

Het is volstrekt mogelijk dat de meeste quantum‑computing in de toekomst “op afstand” zal worden uitgevoerd, via clouddiensten zoals die van Microsoft, in plaats van directe toegang tot een quantum‑computer.

Dit is vooral waarschijnlijk omdat de meeste quantum‑computing‑toepassingen zullen worden onderzocht door biochemici, materiaalkundigen, klimaatwetenschappers en andere specialisten zonder specifieke achtergrond in quantum‑computing.

Dus is het logischer om toe te vertrouwen op toegewijde professionals bij bedrijven als IBM, Microsoft of Google om het rekenwerk te doen, dan om ongetrainde mensen aan te nemen.

Microsoft biedt “hybride computing” aan, waarbij quantum‑computing wordt gemengd met traditionele cloud‑gebaseerde supercomputer‑diensten.

Bron: Microsoft

In plaats van verticale integratie, heeft Microsoft een partnerschapsstrategie voor quantum‑computing, waarbij het samenwerkt met leiders in het veld die vrijwel alle mogelijke technologieën dekken om quantum‑computing te realiseren, zoals IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), en Rigetti (RGTI).

Bron: Microsoft

Microsoft heeft ook eind 2023 een samenwerking opgezet met Photonic, een bedrijf dat werkt aan de integratie van quantum‑computing en fotonic.

Microsoft werkt bovendien aan analoge fotonische chips voor de financiële sector.

Quantum‑computing is niet centraal in Microsoft’s bedrijfsmodel, althans voor nu. Het blijft echter een centrale speler in de sector en kan een “veiliger” aandelenselectie zijn dan direct aandelen te kopen van zijn publiek verhandelde quantum‑partners zoals QCI of Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google is zeer actief in quantum‑computing, voornamelijk via het Google Quantum AI‑lab en de Quantum AI‑campus in Santa Barbara.

De quantum‑computer van Google schreef geschiedenis in 2019 toen Google beweerde “quantum supremacy” te hebben bereikt met de Sycamore‑machine, die een berekening in 200 seconden uitvoerde die een conventionele supercomputer 10.000 jaar zou kosten.

Maar misschien is de grootste bijdrage van Google de software, een activiteit waarin het een veel beter track‑record heeft dan hardware (search, G Suite, Android, enz.). Google’s Quantum AI biedt al een suite van software die wetenschappers helpt bij het ontwikkelen van quantum‑algoritmen.

Google is ook een actieve ondersteuner van fotonische bedrijven zoals Lightmatter.

Google zal waarschijnlijk een van de bedrijven worden die de standaarden voor quantum‑software en -programmering bepalen, waardoor het een bevoorrechte positie krijgt in de richting waarin het veld zich in de toekomst ontwikkelt. Het krachtige netwerk en de VC‑activiteit zullen ook een rol spelen in andere niet‑silicon‑rekenvormen.

4. Intel

Intel (INTC ) is een grote chipproducent en lijkt zijn sterkte te willen inzetten in de quantum‑computing arena.

Onlangs bracht Intel “Tunnel Falls”, de “meest geavanceerde silicium‑spin‑qubit‑chip” uit. Wat opmerkelijk is, is dat het geen prototype is maar een chip die op schaal wordt geproduceerd, met een opbrengst van 95 % over de wafer en een uniforme spanning. Dit opent de weg naar massaproductie van quantum‑chips, iets wat tot nu toe ontbrak in een jonge en snel veranderende industrie.

Bron: Intel

Getrouw aan zijn roots ontwikkelt Intel ook de software om zijn chips te benutten, met de uitgave van de Intel Quantum SDK. Deze biedt richtlijnen voor programmeurs om software te ontwikkelen voor quantum‑computing die compatibel is met Intel’s quantum‑chip‑ontwerp, een historisch sterk en winstgevend concurrentievoordeel voor Intel’s conventionele chip‑business.

Bron: Intel

De komst van schaalbare quantum‑chipproductie kan net zo revolutionair zijn voor de industrie als elke andere technische doorbraak, doordat kosten dalen en gemeenschappelijke programme‑ en chip‑architectuurstandaarden ontstaan.

Eind 2023 besloot Intel zijn fotonische business te verkopen aan Jabil (JBL).

Al met al maakt Intel vooruitgang in quantum‑computing en lijkt het een duidelijke strategie te hebben om zich op dit onderwerp te concentreren boven fotonic en andere alternatieven.

5. Nvidia

De toonaangevende fabrikant van grafische kaarten en, meer recent, van cryptomining‑rigs en AI‑chips, is nu echt geëvolueerd van een pc‑onderdelenproducent tot een van de wereldwijde tech‑reuzen.

Nvidia is ook actief in de quantum‑computing sector, met zijn NVIDIA DGX Quantum dat normale chips combineert met quantum‑computing via het recent open‑sourced CUDA‑quantum‑softwareplatform.

Bron: Nvidia

Om zijn leidende positie in AI te versterken, heeft Nvidia ook zijn QuantumX‑800 voor AI‑geoptimaliseerd netwerken in datacenters uitgebracht.

Wat betreft fotonic, Nvidia heeft een partnerschap gesmeed met TSMC en Broadcom. Het zal streven naar een enkel module via co‑packaged optics (CPO) die klassieke siliciumchips en fotonic integreert.

Al met al is Nvidia’s succes nauw verbonden met de huidige AI‑boom, en quantum‑computing en fotonic komen op de tweede plaats. Het zal echter profiteren van de groei van deze sectoren en lijkt vastbesloten om in de race te blijven.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum is het resultaat van de fusie tussen Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum (en, zoals genoemd, een partner van Microsoft’s quantum‑cloud‑computing).

Quantinuum richt zich momenteel op segmenten die minder verkend zijn door andere quantum‑systemen, met name financiële en supply‑chain‑gerelateerde analyses, via zijn Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)‑engine, gelanceerd in september 2023.

QMCI is toepasbaar op problemen zonder analytische oplossing, zoals het prijzen van financiële derivaten of het simuleren van resultaten van high‑energy‑deeltjes‑experimenten, en belooft rekenkundige vooruitgang in bedrijfsleven, energie, logistiek en andere sectoren.

Net als Microsoft is quantum‑computing niet de kern van Honeywell’s bedrijfsactiviteiten, die meer gericht zijn op producten in de lucht‑ en ruimtevaart, automatisering en speciale chemicaliën en materialen.

Gezien dat elk van deze bedrijfssegmenten baat kan hebben bij quantum‑computing, is de businesscase voor Honeywell om betrokken te raken duidelijk.

Dit maakt Honeywell zowel een aanbieder van quantum‑computing‑diensten als een van de bedrijven die kunnen profiteren van de toepassing van quantum‑computers op real‑life bedrijfsproblemen, iets waar de integratie van Quantinuum in de groep een snellere ontwikkeling zou moeten stimuleren dan bij industriële concurrenten.

7. Synopsys

Elke fotonische systeem moet zo naadloos mogelijk met silicium‑systemen worden geïntegreerd, althans in het begin. Synopsys kan hierbij helpen.

Het bedrijf is specialist in silicium‑ontwerp en -verificatie, wat betekent dat hun software wordt gebruikt om nieuwe chips te ontwerpen, inclusief ultra‑geavanceerde 5nm‑chips en lager.

Het bedrijf biedt ook software voor fotonic, beschreven als “de enige naadloze ontwerp‑flow in de industrie voor fotonische apparaten, systemen en geïntegreerde schakelingen”. Dit maakt het mogelijk om de ontwerp en simulatie van nieuwe fotonische apparaten te beheren.

Bron: Synopsis

Het bedrijf heeft ook een joint‑venture met Juniper Network opgezet om OpenLight te creëren, een fotonisch bedrijf dat indium‑fosfide gebruikt.

8. Juniper Network

Juniper beweert de #1 cloud‑native draadloze oplossing en het enige AI‑gedreven Wi‑Fi‑netwerk te bieden. Dit plaatst het direct in concurrentie met oudere en meer gevestigde giganten zoals Cisco. Juniper’s technologie, Juniper Mist, zou schaalbaarder, flexibeler en beter in anomaliedetectie zijn dan Cisco’s equivalent.

De oplossingen van het bedrijf leunen sterk op AI, met zijn AI‑engine “Marvis” die op alle netwerkniveaus wordt ingezet, van gebruiker tot datacenter.

Bron: Juniper

Wat betreft beveiliging, toont Juniper ook uitstekende resultaten op firewalls, threat‑defense en bescherming tegen exploits, beter dan de meeste leveranciers zoals Fortinet (FTNT ), Palo Alto, Zscaler, enz.

Juniper biedt ook Fotonische Geïntegreerde Circuits (PIC’s), die momenteel vooral worden gebruikt voor datatransmissie en sensoren. Ze worden verwacht een integraal onderdeel te worden van toekomstige fotonisch‑gebaseerde computers.

Bron: Synopsis

9. Rigetti Computing, Inc.

Rigetti is een quantum‑computing bedrijf, “bezit kritieke IP voor onze baanbrekende multi‑chip processor en de hybride quantum‑klassieke aanpak die de dominante quantum‑computing‑architectuur is geworden.”

Het bedrijf integreert alle stappen die nodig zijn voor quantum‑computing, van chip‑ontwerp en -fabricage tot cloud‑levering van de rekenkracht.

Bron: Rigetti

Het bedrijf richt zich minder op het toevoegen van zoveel mogelijk qubits (zoals giganten als Intel doen) en meer op het perfectioneren van hun bestaande product en het behalen van een zeer hoog niveau van fideliteit en snelheid, waardoor het een betrouwbaarder commercieel product wordt.

De nieuwste iteratie, de 84‑qubit Ankaa‑3, wordt verwacht in de tweede helft van 2024. Op basis van het Ankaa‑concept streeft het bedrijf op de lange termijn naar een systeem van 336+ qubits.

Bron: Rigetti

In december 2023 begon Rigetti met de verkoop van het 9‑qubit systeem Novera, een “mini‑quantum‑computer” die “slechts” $900.000 kost en binnen 4‑6 weken wordt geleverd.

De eerste klanten waren onder andere Fermilab’s SQMS Center, het Air Force Research Lab en Horizon Quantum (HQ ) Computing.

Het bedrijf kondigde in het voorjaar van 2024 aan dat het zich zal aansluiten bij de Russell 3000 Index.

10. IPG Photonics

IPG is een laserfabrikant die praktisch alle soorten lasers produceert, inclusief vezel‑, diode‑, UV‑ en deep‑UV‑lasers. Met 6.200 werknemers verzendt het meer dan 42.000 laser‑apparaten per jaar.

De specialiteit ligt in vezellasers, met een hoge precisie en het vermogen om laserpulsen zo kort als een femtoseconde (een biljardste van een seconde) te genereren.

IPG‑lasers worden momenteel gebruikt voor:

• Geavanceerde wetenschappelijke toepassingen (spectroscopie, microscopie, interferometrie, optische val, enz.)
• Productie van batterijen en elektrische motoren voor EV’s
• Materiaalbewerking, met name metaalbewerking, snijden, graveren, reinigen en laser‑3D‑printen.
• Laser‑microverwerking, waarbij lasers worden gebruikt om ultrasmallere structuren te creëren.

Terwijl vooruitgang in fotonische chips nodig zal zijn om volledig fotonisch‑gebaseerde computers te creëren, weten we al dat het een veelgebruikt component zal integreren: lasers.

Het licht voor fotonische computing moet gebaseerd zijn op zeer stabiel licht dat door een laser wordt uitgezonden. Dus leiders in de laserindustrie, zoals IPG, zouden profiteren van een opleving in de vraag naar lasers vanuit de halfgeleiderindustrie die geleidelijk overschakelt naar fotonic.

En in dat opkomende segment kunnen ultra‑korte laserimpulsen worden omgezet in ultra‑snelle rekenkracht.