Holde tritt med Moores lov med aktive substrater og nevromorfisk databehandling

Nye halvledere trengs

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.

Dette har blitt drevet av økende kompleksitet og miniaturisering av halvledere. Imidlertid, på grunn av de grunnleggende fysiske egenskapene til silisium, begynner silisiumbaserte halvledere å nå noen grenser.

Heldigvis er silisium langt fra det eneste materialet som viser halvlederegenskaper, dvs. evnen til å skifte fra en tilstand der det fungerer som isolator (ikke lar elektrisitet flyte) til en leder (lar elektrisitet flyte).

Ny forskning avslører nye innsikter i den grunnleggende fysikken til innovative halvledermaterialer som vanadiumdioxid og tidligere uventede halvlederegenskaper til titandioksid.

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.

Vanadium og Moores lov

Det som gjør vanadiumdioxid til en ledende kandidat for ny halvlederteknologi er vanadiums evne til å skifte mellom metall — “1”-tilstanden — og isolator — “0”-tilstanden — på kun en trilliontedel av et sekund.

Dette er et fenomen kjent som “metal‑isolator‑overganger”. Hastigheten på metall‑isolator‑overgangen bør tillate raskere og mindre elektronikk sammenlignet med klassisk silisiumbasert elektronikk.

Dette er essensielt hvis vi vil se halvlederindustrien holde tritt med Moores lov.

Formulert i 1965 er Moores lov den empiriske loven som sier at halvlederindustrien øker antall transistorer på en chip med 100 % hvert andre år. Dette har holdt i flere tiår, men de grunnleggende begrensningene på silisiumchips betyr at nye materialer snart vil være nødvendige for å opprettholde loven.

Moores lov er en anvendelse av Wrights lov fra 1936 på halvlederindustrien, som sier at produksjonskostnadene vil reduseres med opptil 15 % for hver dobling av produksjonen (opprinnelig utviklet for luftfartsindustrien).

Wrights lov er mer en regel om stordriftsfordeler og industriell effektivitet ved oppskalering av produksjon. Samtidig handler Moores lov mer om teknologisk innovasjon og drives av fremskritt i forståelsen av grunnleggende fysikk og nanometerskala‑ingeniørkunst.

Nye innsikter

Avanserte metoder

Inntil nå har vanadiumdioxid kun blitt analysert og observert som en isolert komponent. Selv om dette er nyttig, begrenset det forståelsen av hva som faktisk ville skje i en halvleder som er avhengig av vanadiumdioxid.

I deres publisering i Advanced Materials (“In‑Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film‑Substrate Elastodynamics During an Insulator‑to‑Metal Transition”), gjorde forskerne flere nye oppdagelser.

De brukte røntgendiffraksjonsmikroskopi for å observere endringer i sanntid og med presisjon på atomnivå.

Og de påførte vanadiumdioxiden på toppen av et titandioksid‑substrat, slik det ville være i en ekte halvlederchip, i stedet for å studere det i isolasjon.

Kilde: Advanced Materials

Dette var en enorm innsats, der studien selv tok mer enn 10 år og involverte mange forskerteam og en tverrfaglig tilnærming.

“Ved å samle disse ekspertene og samle vår forståelse av problemet, klarte vi å gå langt utover vår individuelle ekspertise og oppdage noe nytt.” – Roman Engel-Herbert, direktør ved Paul Drude Institute of Solid State Electronics i Berlin

Vanadiums bevegelser

Forskerne observerte for første gang at vanadiumdioxiden bulket oppover når den skiftet til metall. Dette var i strid med teoretiske prediksjoner som antok at den ville krympe.

Kilde: Advanced Materials

De oppdaget at en tidligere uventet effekt fra manglende oksygenatomer var ansvarlig for materialets svelling.

“Disse nøytrale oksygenvakuumene har en ladning på to elektroner, som de kan frigjøre når materialet skifter fra isolator til metall. Oksygenvakuumet som blir igjen er nå ladet og svulmer opp, noe som fører til den observerte overraskende svellingen i enheten.” Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Uventet aktivitet i titandioksid‑substratet

Et quasi‑dogma i halvlederproduksjon er at kun det tynne laget av halvledermateriale på toppen av substratet er aktivt når det blir utsatt for strøm. Selve substratet er et elektrisk og mekanisk passivt materiale.

I denne studien oppdaget forskerne at dette ikke gjelder for vanadiumdioxid‑halvledere.

I stedet sveller det tidligere antatte inerte titandioksidet også, fra samme mekanisme som involverer manglende oksygenatomer.

I tillegg oppførte det øverste laget av titandioksid seg som vanadiumdioxid, og fungerte også som en halvleder.

Denne nye oppdagelsen vil være avgjørende for å bygge prototyper av kommersielle vanadiumdioxid‑halvledere.

Applikasjoner

Raskere, bedre halvledere

Vanadiumdioxid anses som et svært lovende materiale for å ta halvlederteknologi til neste nivå, på grunn av noen få grunnleggende egenskaper:

• Insulator‑til‑metall‑overgangen (IMT) skjer med en ekstrem hastighet på en trilliontedel av et sekund, og åpner veien for ultrarask beregning.
• Vanadiumdioxid har sterkt korrelerte elektroniske effekter. Enkelt sagt betyr dette at frastøtning mellom elektroner ikke kan ignoreres, slik det i dag gjøres i silisiumbasert elektronikk.
  • Dette åpner igjen muligheten for nye funksjonaliteter som høytemperatur‑superledning og forbedrede magnetiske egenskaper.

Neuromorfisk databehandling

Oppdagelsen av den positive tilbakemeldingsprosessen på grunn av vakuum‑ionisering fra de manglende oksygenatomene bør redusere IMT‑tiden ytterligere.

Dette har svært viktige konsekvenser, da det gjør vanadiumdioxid potensielt egnet som riktig materiale for en ny type beregning kalt nevromorfisk databehandling.

Nevromorfisk databehandling er en metode der datasystemer tar inspirasjon fra hjernen til levende systemer med nevroner.

Dette skiller seg fra de nevrale nettverkene som i dag brukes av AI og LLM-er, som prøver å etterligne nevroner, men fortsatt er avhengige av klassiske silisiumtransistorer og hovedsakelig er programvarebasert maskinlæring.

Dermed kan nevromorfe brikker lære på maskinvarenivå. Og i stedet for binær utgang (0 og 1), vil de produsere signalspiker.

Kilde: Tech Target

Takket være sin svært raske insulator‑til‑metall‑overgang, kan vanadiumdioxid med et aktivt titandioksid‑substrat brukes til å lage Mott‑nevron‑lignende spikende oscillatorer som kan replikere biologiske nevroner på maskinvarenivå.

Oversikt

Vanadiumdioxid‑halvledere, nevromorfisk databehandling og Mott‑nevron‑lignende spikende oscillatorer befinner seg i spissen av materialvitenskap og halvlederdesign, sannsynligvis minst et tiår før de oppnår kommersiell levedyktighet.

Dette tiårets tidsramme er akkurat når vi bør forvente at silisiumbaserte halvledere begynner å mislykkes i å holde Moores lov gyldig.

Det finnes ingenting i Moores lov som sier at halvledere må være silisiumbaserte. Det er snarere en empirisk observasjon at så lenge det er etterspørsel etter kraftigere chips, fortsetter forskere å lære mer om halvlederfysikk på stadig mindre skala.

Med tanke på at vi nå studerer vanadium‑ og titandioksider i sanntid og på atomnivå, virker det rimelig å forvente at Moores lov vil holde, og at materialer som vanadium vil være neste steg i halvlederdesign.

Og selvfølgelig kan andre innovative beregningsmetoder også bidra til å holde Moores lov på sporet, som fotonikk eller kvantedatabehandling.

Avanserte halvlederbedrifter

1. Intel

Intel (INTC ) er en gigant i halvledersektoren og har utviklet seg gjennom årene fra en grunnlegger av industrien til en vitenskapelig og innovasjonsleder, og har mistet topplasseringen i produksjonsvolum til selskaper som Taiwans TSMC.

Intel er en leder innen nevromorfisk databehandling, blant annet gjennom sin Loihi 2‑brikke.

Kilde: Intel

Den har også opprettet Intel Neuromorphic Research Community, som inkluderer Pennsylvania State University, som er involvert i denne nylige vanadiumdioxid‑forskningen, samt over 75 andre forskningsgrupper.

Kilde: Intel

Intel er også svært aktivt i å etterligne biologisk sans ved å replikere hvordan hjernen vår fungerer (selve en gren av nevromorfisk databehandling), noe vi diskuterte nærmere i artikkelen vår “Biomimetiske olfaktoriske brikker: Er kunstig intelligens og e‑nese den neste kanarifuglen i en kullgruve?”

Alt i alt er forskning fra Intel Lab i frontlinjen av halvlederinnovasjon, inkludert AI, kvantedatabehandling, nevromorfisk databehandling osv. (vi diskuterer Intels fremskritt innen kvantedatabehandling i artikkelen vår “Den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling”).

2. IBM

En annen historisk pioner innen databehandling, halvledere og chipdesign, International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) undersøker også nevromorfisk databehandling.

Den utvikler også SyNAPSE: Skalerbar energieffektiv nevosynaptisk databehandling, støttet av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), for å kombinere «nanovitenskap, nevrovitenskap og superdatabehandling for å simulere og etterligne hjernens evner til sansning, persepsjon, handling, interaksjon og kognisjon».

Den er også i frontlinjen av utviklingen av kvantedatamaskiner. For eksempel utviklet den sin 127‑qubit “Eagle” kvantedatamaskin, som ble etterfulgt av et 433‑qubit‑system kjent som “Osprey” og den 1 121‑superledende qubit‑kvanteprosessoren “Condor”.

Kilde: All About Circuits

Sammen med Intel er IBM blant de selskapene som mest aggressivt driver frem nye former for beregningsteknologier, som kvante- og nevromorfisk databehandling, og vil sannsynligvis dra nytte av fremskrittene i forståelsen av den grunnleggende atomfysikken til materialer som vanadiumdioxid.