Nanoteknologi som presser grensene for databehandling med hastighet og effektivitet

Avanserte datateknologier gjør store fremskritt mot å oppnå høy hastighet og lavt strømforbruk.

Viktige fremskritt på dette området inkluderer nye silisiumarkitekturer som bruker lagdelte design for å bygge raskere og mindre brikker til lavere kostnad. Samtidig bruker fotonomisk databehandling lysbølger til å behandle og lagre data. Med lysets hastighet som simpelthen er uovertruffen, kan dette tilby høy hastighet og lav latens.

Deretter finnes biologisk databehandling, hvor informasjon kodes og lagres i biologiske celler, drevet av fremskritt innen nanobioteknologi. Kvantedatabehandling tilbyr også betydelig potensial, ved å løse komplekse problemer raskere enn dagens datamaskiner ved å utnytte kvante‑superposisjon, sammenfiltring og interferens.

Videre etterligner nevromorfisk databehandling hjernens nevrale systemer for å utføre parallelle beregninger; sky‑databehandling flytter prosessering til eksterne eller virtuelle steder; og kant‑databehandling flytter prosessering fra sentraliserte anlegg nærmere sluttbrukerne.

Alle disse utviklingene innen datateknologi, som fokuserer på verktøy og systemer for behandling, lagring og kommunikasjon av data, har ført til enestående fremskritt innen områder som kunstig intelligens (AI) og dataanalyse.

Pågående forskning på feltet har ført til kontinuerlig og rask innovasjon i datateknikker, med forskere som nå går enda dypere for å oppnå bedre, raskere og mer effektive resultater.

Gjennombrudd i laserbasert nanoskalafabrikasjon i silisium

Forskere fra Bilkent University i Tyrkia oppnådde nylig et betydelig gjennombrudd ved å utvikle en teknikk for å fremstille nanostrukturer dypt inne i silisiumplater. 

Den nye metoden gjør nanofabrikasjon innen silisium mulig ved hjelp av romlig lysmodulering og laserpulser, og skaper avanserte nanostrukturer som vil være til nytte for elektronikk og fotonikk.

Studien fokuserte på silisium, grunnlaget for elektronikk, fotonikk og fotovoltaikk. Som halvleder ligger silisiums elektriske ledningsevne mellom en isolator og en ren leder. Det er det nest mest forekommende elementet i jordskorpen, med både metalliske og ikke‑metalliske egenskaper. I tillegg gjør silisiums fremragende elektriske egenskaper, inkludert det relativt lille energigapet, det til et viktig materiale i halvlederindustrien.

Imidlertid har silisium vært begrenset til overflatespesifikk nanofabrikasjon på grunn av vanskelighetene med eksisterende litografiteknikker. Nåværende metoder klarer enten ikke å trenge gjennom overflaten av platen uten å forårsake endringer, eller er begrenset av oppløsningen til laserlithografi. I tillegg tillater ikke eksisterende teknikker høy‑presisjonsmodulering dypt inne i platen. 

Hvis enheter kunne bli direkte fremstilt inne i massen av dette materialet uten å endre platens øvre eller nedre overflate, ville det sette en ny standard.

Selvfølgelig betyr det å komme seg forbi alle disse utfordringene med en fabrikasjonsoppløsning på mer enn 1 mikron, samtidig som man oppnår multidimensjonal nanoskalakontroll inne i platen. Å gjøre dette ville imidlertid være et magisk fremskritt, som muliggjør 3D‑nanofotonikk med nye funksjonaliteter og fører til metasurface‑er inne i Si. 

Den nyeste forskningen utnyttet romlig modulerte laserstråler og anisotropisk tilbakemelding fra forhåndsformede undersurface‑strukturer for å oppnå dette. Dette tillot teamet å etablere kontrollert nanofabrikasjonsevne inne i Si ved å manipulere materie på nanoskala. 

For å utdype, Bilkent‑teamet taklet utfordringen med komplekse optiske effekter innen platen og den iboende diffraksjonsgrensen til laserlyset ved å bruke den unike laserpulsen, som ble skapt ved å modulere det romlige. De romlig modulerte laserpulser tilsvarer en Bessel‑funksjon. 

De optiske spredningseffektene, som hadde hindret presis energideponering, ble deretter overvunnet av den spesielle laserstrålens ikke‑diffrakterende natur. Denne ikke‑diffrakterende naturen er skapt med avanserte holografiske projeksjonsteknikker, som gjør presis lokalisering av energi mulig. Dette fører til tilstrekkelig høyt trykk og temperatur for å endre materialet i et lite volum. 

Ifølge Onur Tokel, professor ved Institutt for fysikk:

“Vår tilnærming er basert på å lokalisere energien fra laserpulsen innen et halvledermateriale til et ekstremt lite volum, slik at man kan utnytte fremvoksende felforsterkningseffekter som ligner på de i plasmonikk. Dette fører til sub‑bølgelengde‑ og multidimensjonal kontroll direkte inne i materialet.”

Han la til:

“Vi kan nå fremstille nanofotoniske elementer begravd i silisium, som nanogitter med høy diffraksjonseffektivitet og til og med spektral kontroll.”

Dette ble etterfulgt av en fremvoksende såningseffekt, hvor nano‑hull på undersurface skapte en sterk felforsterkning i deres nærmiljø. Når den er etablert, opprettholder den resulterende felforsterkningen seg selv, noe som betyr at opprettelsen av tidligere nanostrukturer hjelper med å fremstille de senere nanostrukturene. 

Samtidig ga bruken av laserpolarisasjon forskerne ekstra kontroll over nanostrukturenes justering og symmetri på nanoskala, noe som gjør nøyaktig utvikling av varierte nano‑arrayer mulig.

“Ved å utnytte den anisotrope tilbakemeldingsmekanismen som finnes i laser‑material‑interaksjonssystemet, oppnådde vi polariseringskontrollert nanolitografi i silisium.”

– Studieens hovedforfatter, Dr. Asgari Sabet 

Denne nye fabrikasjonsmetoden har oppnådd funksjonsstørrelser så små som 100 nm, noe som er en stor forbedring sammenlignet med konvensjonelle regime. 

Denne studien kan ha betydelige implikasjoner for systemer på nanoskala med spesifikke strukturer ved å demonstrere stor‑område volumetrisk nanostrukturering med multidimensjonal kontroll og funksjoner utover diffraksjonsgrensen. Ifølge forskerne kan potensielle fremtidige fremskritt som følge av denne studien inkludere metamaterialer, metasurface‑er, informasjonsbehandlingsapplikasjoner og fotoniske krystaller.

Forskningen viser også betydelig potensial for integrering med on‑chip‑systemer, med den introduserte nanogitter‑kapasiteten som et steg mot dette målet. Studien bemerker at den også utgjør den første flerlags Si‑fotonicen.

Alt i alt har studien introdusert «et nytt fabrikasjonsparadigme for silisium». Evnen til å fremstille på nanoskalnivå direkte inne i silisium åpner opp et nytt regime mot videre integrasjon og avansert fotonikk, sa Prof. Tokel. Neste steg for studien er å undersøke om full 3D‑nanofabrikasjon i Si kan oppnås. 

Klikk her for å lære hvordan avansert nanofotonikk vil hjelpe oss med å bygge en bedre smarttelefon.

Nanomaterialer som baner vei for neste generasjons databehandling

Som vi så ovenfor, retter forskere seg mot nanostrukturer for bedre resultater. Nanoteknologi handler om å kontrollere materie på nanoskalnivå, fra 1 til 100 nanometer i størrelse. 

På så liten skala kan vi oppleve unike egenskaper og oppførsel av materialer, noe som gjør at forskere og ingeniører kan manipulere dem for ulike anvendelser. Som et resultat har nanoteknologi brede implikasjoner på tvers av mange industrier, inkludert energi, elektronikk, medisin og materialvitenskap.

Med stort potensial for å løse noen av verdens mest presserende utfordringer har nanoteknologi utviklet seg raskt med kontinuerlige fremskritt og gjennombrudd, spesielt innen databehandling og elektronikk. Nanoteknologi har faktisk bidratt betydelig til store fremskritt i disse sektorene, som har ført til raskere, mindre og mer bærbare systemer.

For eksempel har nanomaterialer som grafen og karbonnanorør vist seg lovende i å skape fleksibel og gjennomsiktig elektronikk.

Nanostrukturer har transformert feltet for halvledere og databehandling ved å forbedre de elektriske, optiske og magnetiske egenskapene til materialer utover deres bulk‑egenskaper.

I denne sammenhengen gjøres fremskritt innen kvantedatabehandling og kommunikasjon ved bruk av nanoskalale kvante‑biter. I tillegg fortsetter forskningen med å utvikle nanomaterialer for høy‑kapasitets, hurtig‑ladende batterier og superkondensatorer. Samtidig gjør fremskritt innen nanoskalafabrikasjonsteknikker det mulig å lage miniatyriserte enheter og komponenter med kraftig ytelse.

Ved å muliggjøre utviklingen av mindre og mer effektive enheter som nanoskalatransistorer og minnebrikker, har nanoteknologi enormt økt datakraft og lagringskapasitet, og presset grensene for Moores lov.

Moores lov som refereres til her ble formulert av Intel‑medgründer Gordon Moore, som hevdet at antallet transistorer på en enkelt brikke ville dobles omtrent hvert annet år, med minimal kostnadsøkning.

Hvis vi ser på det, var det på 1950‑tallet transistorer først begynte å erstatte vakuumrør som den viktigste komponenten i elektroniske kretser. Mens de første transistorene vanligvis var en centimeter lange, ble de snart målt i millimeter.

Spol frem til begynnelsen av dette århundret, ble størrelsen redusert til mellom 130 og 250 nanometer, for så å bli ytterligere nedskalert til kun 14 nanometer for omtrent et tiår siden. Deretter, i 2015, halverte IBM denne størrelsen ved å lage den første syv‑nanometer transistoren. Denne reisen mot mindre, men bedre og raskere transistorer fortsetter den dag i dag.

I de siste årene har den minste transistorstørrelsen i produksjon blitt redusert til 3 nm, med IBM som kunngjorde en 2 nm transistor i mai 2021, som er mindre enn en DNA‑tråd. Vi fokuserer på transistorer fordi de er grunnleggende for å drive nesten alle elektroniske enheter.

Interessant nok, jo mindre disse transistorene blir, desto mindre strøm forbruker de og desto raskere blir de. Imidlertid mener mange at man kun kan gjøre noe mindre så lenge, og til slutt vil vi ikke kunne fortsette å minske. Det er da nye nanomaterialer og avansert teknologi vil være nødvendig for å forbedre enhetene våre.

Dette har ført forskere til å fokusere på teknologier som nevromorfe systemer, som krever utvikling av nye kunstige nevroner og synapser som kan overgå ytelsen til standard CMOS‑kretser.

Ved å bruke kunstige nevroner og synapser simulerer disse datamaskinene hvordan menneskelige hjerner behandler informasjon. Dette gjør dem i stand til å gjenkjenne mønstre, løse problemer og ta beslutninger mer effektivt og raskt enn dagens datamaskiner. Selv om dette feltet fortsatt er nytt, viser det løfter innen kognitiv databehandling, autonome kjøretøy og AI, hvor hastighet og effektivitet er viktig.

Forskere utforsker også nye materialklasser, som kvante‑dotter og grafen, for å møte behovene til avansert databehandling. Nylige studier har utforsket Quantum Dot Cellular Automata (QCA) for å designe nanoskalakomputere med forbedringer i både hastighet og effektivitet.

I tillegg til grafen blir 2D‑materialer som overgangsmetall‑dichalcogenider (2D‑TMD‑er) vurdert for bruk i halvledere. Dette materialets store overflateområde tillater effektiv lysinteraksjon og forbedrer bruken for manipulering av lys, mens den uvanlige ladningsbærermobiliteten øker enhetens ytelse. Holdbarheten gjør det robust for ulike virkelige anvendelser.

Som nevnt ovenfor har den nyeste forskningen som oppnår nanofabrikasjon inne i silisium også som mål å muliggjøre neste generasjon av silisium‑baserte brikker med langt større behandlingskraft.

Klikk her for en liste over de beste selskapene som jobber med å fremme nanoteknologifeltet.

Selskaper som jobber med avansert datateknologi

Hvis vi ser på selskaper som er involvert i dette feltet, leverer Applied Materials (AMAT) nanofremstillingsteknologi for avanserte halvledere. Advanced Micro Devices (AMD) utvikler høy‑ytelses datamaskinvare og utforsker avanserte datateknologier.

NVIDIA Corporation (NVDA), kjent for sine GPU‑er, er også tungt investert i kvantedatabehandlingsforskning. Nvidia‑superdatamaskiner blir brukt til å utvikle kvante‑annealing‑systemer for å løse spesifikke problemer. NVIDIA, ofte referert til som ‘AI‑kjæreste’, har sett sine aksjer stige 157 % år‑til‑dato (YTD).

Selskapet registrerte rekordomsetning på $26 milliarder i 1Q24, opp 18 % fra forrige kvartal og 262 % fra året før. Selskapet kunngjorde også en ti‑til‑én aksjesplitt 7. juni 2024, og økte sitt kvartalsvise kontantutbytte til $0,01.

La oss nå se på selskapene som leder forskningen innen avansert databehandling, nanoteknologi og innovasjoner i chip‑design.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM) er et populært teknologiselskap som er involvert i sky‑ og AI‑muligheter. Deres fokus er på forskning innen kvantedatabehandling og videreutvikling av halvlederteknologi.

I løpet av det siste året introduserte selskapet sin nyeste generasjons kvanteprosessor, IBM Heron, som har 133 faste‑frekvens‑qubits og en tre‑ til fem‑fold forbedring i enhetens ytelse.

Ifølge Jay Gambetta, VP ved IBM Quantum:

“Den fulle kraften i å bruke kvantedatabehandling vil bli drevet av generativ AI for å forenkle utvikleropplevelsen.”

Selskapet har en markedsverdi på $180,57 milliarder, og aksjene handles til $195,51, opp 19,86 % YTD. Utbytteavkastningen er 3,41 %. For 2Q24 rapporterte IBM en inntekt på $15,8 milliarder, en økning på 2 % fra året før.

Den frie kontantstrømmen var samtidig $2,6 milliarder, som selskapet økte til $12 milliarder for helårsutsiktene, med $1,5 milliarder returnert til aksjonærene i form av utbytte i perioden. Selskapet avsluttet kvartalet med $16 milliarder i kontanter, begrenset kontanter og lett omsettelige verdipapirer. Mens de påpeker IBMs ekspertise innen enterprise‑AI og at deres generative AI‑virksomhet har vokst til over $2 milliarder siden lanseringen av Watsonx for ett år siden, sa IBM‑administrerende direktør Arvind Krishna:

“Vi hadde et sterkt andre kvartal, som overgikk våre forventninger.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) innoverer chip‑design og utforsker nevromorfisk og kvantedatabehandling. Denne halvlederchip‑produsenten er oppfinneren av x86‑serien av mikroprosessorer, som finnes i de fleste personlige datamaskiner. Selskapet jobber for tiden med å gjenvinne sin ledende posisjon innen global chipproduksjon, for hvilket det har mottatt finansiering gjennom tilskudd og lån fra den amerikanske regjeringen.

Gjennom nevromorfisk forskning har Intel som mål å akselerere fremtiden for adaptiv AI ved å co‑designe optimalisert maskinvare med neste generasjons AI‑programvare. I tillegg har Intel etablert Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Dette globale samarbeidet samler team fra forskningsinstitusjoner, akademiske grupper, selskaper og statlige laboratorier for å fremme frontlinjen innen hjerne‑inspirert AI.

Selskapet har en markedsverdi på $89,56 milliarder, og aksjene handles til $21,06, ned 58,23 % YTD. For 2Q24 rapporterte Intel «skuffende» finansielle resultater, med en inntekt på $12,8 milliarder, ned 1 % år‑til‑år, mens non‑GAAP EPS var $0,02. Selskapet kunngjorde et suspendert utbytte fra og med fjerde kvartal 2024, samtidig som de gjentok sitt «langsiktige engasjement for et konkurransedyktig utbytte etter hvert som kontantstrømmen forbedres til bærekraftig høyere nivåer».

Konklusjon

Avansert databehandling, som fokuserer på nye metoder og teknologier som driver innovativ databehandling, tiltrekker betydelig interesse fra selskaper, forskere, ingeniører og myndigheter alike. Tross alt er den grunnleggende for cybersikkerhet, finansmarkeder og mange andre kritiske infrastrukturer. Dessuten støttes den utbredte bruken av AI av avansert datakraft, sammen med data, algoritmer og mikrobrikker.

I løpet av de siste tiårene har fremskritt innen datateknologi betydelig forbedret ytelsen og funksjonaliteten til enheter vi bruker regelmessig, og dermed drevet veksten i den digitale økonomien.

Gitt dens dype innvirkning på samfunnet, er fortsatt forskning og utvikling et must for å møte kravene til kraft‑krevende beregning og bane vei for avansert databehandling, som gjør det mulig å skape produkter og tjenester som tidligere var utenkelig.

Klikk her for en liste over de beste nanoteknologiske aksjene.