Niobiumfosfid kan gjøre datasentre mer effektive ved å løse materialets svake ledd

Ny leder nødvendig for nanochips

Når avanserte databrikker produseres, har hovedfokuset vært på å redusere størrelsen på transistorene og lage mer avanserte former for halvledermaterialer. Dette har vært drivkraften bak suksessen til selskaper som TSMC (TSM ), som nå når chipnoder i 3 eller til og med 2 nm (nanometer) skalaen.

Imidlertid dukker det på dette nivået opp nye problemer som ikke er relatert til halvledere. Ett av dem er at tradisjonelle ledende materialer som kobber ikke leder elektrisitet godt når metalltråden blir for tynn.

Dette kan skape flaskehalser for strømmen inne i brikkene, redusere datakraften og den samlede effektiviteten, samt forårsake overoppheting.

Derfor er det viktig nyhet at forskere ved Stanford University, Ajou University i Suwon (Sør‑Korea), og IBM Watson Research Center har utviklet et ultratynt materiale som leder elektrisitet bedre enn kobber under disse forholdene.

De publiserte oppdagelsen i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Science, med tittelen “Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal¹”.

Erstatning av kobber i databehandling

På grunn av sin relativt lave pris og utmerkede elektriske ledningsevne har kobber vært hovedmetallet for elektrisk tilkobling og er også et nøkkelmetall i batterier, strømnett osv.

Imidlertid, på grunn av kobbers svakere ledningsevne på nanoskalaer under 50 nm, har forskere i en stund lett etter alternativer. Problemet er at kjente ledere som fungerer på nanoskala har ekstremt presise krystallinske strukturer, som må dannes ved svært høye temperaturer.

Dette kunne ikke fungere for halvledere og brikker, da den høye temperaturen ville ødelegge de skjøre silisiumkomponentene.

Dermed var konkurransen i gang for å finne en ultratynn leder som ikke var avhengig av enkeltkrystallinske filmer.

Niobiumfosfid

Forskerne arbeidet med niobiumfosfid, et materiale kjent for å vise unike elektriske egenskaper, som supersnelle elektroner og svært høy magnetoresistans. Det er allerede i bruk i laser- og høy‑effekt / høy‑frekvens‑applikasjoner.

Niobiumfosfid kalles et topologisk semimetall: dette betyr at mens hele materialet kan lede elektrisitet, er overflaten mer ledende enn midten.

For å forenkle konseptet litt, kan vi si at jo tynnere laget av niobiumfosfid er, jo mer overflateandel finnes det, med nesten ingen “midte”. Som et resultat kan man forvente at jo tynnere niobiumfosfid er, jo mer ledende blir det.

Og dette er akkurat det forskerne observerte.

“Det har blitt antatt at hvis vi vil utnytte disse topologiske overflatene, trenger vi fine enkeltkrystallinske filmer som er veldig vanskelige å avsette. Nå har vi en annen klasse av materialer – disse topologiske semimetallene – som potensielt kan fungere som en måte å redusere energiforbruket i elektronikk på.”
Akash Ramdas – en doktorgradsstudent ved Stanford

Dette er et svært nytt felt, der fysikere først begynte å eksperimentere med topologiske semimetaller i 2015. Og <5 nm tynn film ble aldri produsert før.

Lavere temperatur for databehandlingsapplikasjoner

Den lavere temperaturen betyr at niobiumfosfid er noe uorganisert, med kun nanokrystaller i en amorf matrise.

Kilde: Stanford Report

Ved nærmere analyse ser det ut til at den høye ledningsevnen drives av ledende kanaler på overflaten av den ultratynne filmen.

Filmen kan avsettes ved kun 400°C (752°F), en temperatur lav nok til ikke å skade de nærliggende silisiumtransistorene i en databrikke. Dette gjør den til et ideelt materiale for å koble de interne komponentene i en brikke med lav motstand og dermed lav varmeproduksjon.

“Hvis du må lage perfekte krystallinske ledninger, vil det ikke fungere for nanoelektronikk.

Men hvis du kan lage dem amorfe eller lett uordnede og de fortsatt gir deg de egenskapene du trenger, åpner det døren til potensielle virkelige applikasjoner.

Yuri Suzuki – professor i anvendt fysikk

Høy ledningsevne

Sammenlignet med vanlige filmer av niobiumfosfid var den 5 nm tynne filmen 6 ganger mer ledende. Dette var også lavere enn vanlige metaller som kobber.

Da den var 1,5 nm tynn, var materialet dobbelt så ledende som kobber.

Dette er dermed virkelig det aller første eksempelet på ikke‑krystallinske, lavtemperatur‑ledere som overgår vanlige metallers ledningsevne på nanoskala.

Kilde: Stanford Report

“Virkelig høy‑tetthets‑elektronikk trenger svært tynne metallforbindelser, og hvis disse metallene ikke leder godt, mister de mye kraft og energi.

Bedre materialer kan hjelpe oss med å bruke mindre energi i små ledninger og mer energi på faktisk beregning.

Eric Pop – professor i elektroteknikk

Neste steg

Det aller neste steget er å teste i en ekte brikke hvor godt niobiumfosfidtråden fungerer når den brukes i nanoelektronikk, ikke bare for ledningsevne, men også for pålitelighet og hvordan den kan integreres i produksjonsprosessen.

For dette må de først bygge niobiumfosfidnanotråder i skala.

Et annet arbeid vil være å undersøke om dette konseptet kan implementeres bedre med andre semimetaller som kanskje fungerer enda bedre enn niobium.

“For at denne klassen av materialer skal tas i bruk i fremtidig elektronikk, trenger vi at de er enda bedre ledere. I den forbindelse utforsker vi alternative topologiske semimetaller.”

Xiangjin Wu – en doktorgradsstudent ved Stanford

Varmeavledning er nå en av de viktigste energikrevende prosessene i disse datasentrene, like mye som selve databehandlingen. Dette gjelder spesielt for 5‑3 nm‑brikker, som kreves for AI‑trening og de mest komplekse beregningene.

Dermed vil materialer som leder på nanoskala bli et must på lang sikt, ettersom varmeproduksjon blir et stadig større problem for datasentre som bruker avanserte brikker.

Det er også mulig at ultratynne niobiumfosfidfilmer vil finne andre anvendelser i avanserte teknologier, spesielt der dette materialet allerede brukes, som i laser- eller telekommunikasjonsutstyr.

Investering i avanserte ledende materialer

Etter hvert som avanserte brikker og halvlederkomponenter blir mindre, konsentrerer industrien seg om noen få store produsenter som TSMC (TSM ), Intel (INTC ) eller Nvidia (NVDA ) (følg lenkene for dedikerte rapporter for hver av disse selskapene).

Du kan investere i halvlederrelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan her, på securities.io, finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Eller, hvis du foretrekker en mer diversifisert tilnærming, kan du investere i halvlederrelaterte ETF-er som iShares Semiconductor ETF (SOXX), VanEck Semiconductor ETF (SMH), eller Global X Semiconductor ETF (SEMI).

Du kan også lære mer om forsyningskjeden for produksjonsutstyr til halvledere og nøkkelselskaper i «Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support».

Computing Advanced Material Company

International Business Machines Corporation 

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledende kraften bak kommersialiseringen av den første mainframe‑datamaskinen. Det var også den viktigste industrielle partneren til Stanford‑forskerne i deres niobiumfosfid‑prosjekt.

Selskapet har falt bak i produksjonsvolumet sammenlignet med andre teknologigiganter som Apple, TSMC og NVIDIA.

Det er imidlertid i frontlinjen for utviklingen av nye datamaterialer og -teknologi.

IBM er i front når det gjelder fremgang innen ledningsteknologi, og topologiske semimetaller er bare ett av disse feltene. Så de er ikke bare ledende innen nye ultratynne ledende materialer, men også innen høytemperatur‑superledere.

Slike superledere er avgjørende for kvantedatamaskiner. Nylig utviklet IBM «Condor», en 1 121‑superledende qubit‑kvanteprosessor basert på kryss‑resonans‑gate‑teknologi, sammen med «Heron», en kvanteprosessor i spissen av feltet.

Kilde: IBM

IBM er involvert i de fleste andre banebrytende innovasjoner innen databehandling og halvlederindustrien. Disse inkluderer ledende organiske materialer, nevromorfisk databehandling, fotonikk, etc.

I noen grad har IBM blitt et «patentselskap» med ekspertise i å utvikle nye datametoder og lisensiere dem til industrien.

Så langt ser IBM svært bestemt ut på å ha så mange nøkkelpatenter som mulig innen alle ikke‑silisium‑datametoder, og gjenskaper sin tidligere suksess ved å bidra massivt til utviklingen av halvlederindustrien til den giganten den er i dag.

Niobiumfosfid og andre topologisk semimetall‑relaterte teknologier ville passe perfekt inn i den strategien, med IBM som utvikler teknologien for å erstatte kobber i disse tilfellene, og deretter lisensierer den til de store chip‑fabrikkene for produksjonstrinnene.

Studierreferanse:

^{1. Khan, A. I., et al. (2025). Overflatedledning og redusert elektrisk resistivitet i ultratynn ikke‑krystallinsk NbP‑semimetall. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096}