Topp 10 ikke-silisium databedrifter

Fra silisium til nye former for databehandling

Dataindustrien ble født da mekaniske enheter begynte å utføre beregninger som inntil da var forbeholdt den menneskelige hjernen. Men det var med vakuumrør og senere transistorer at ekte datamaskiner begynte å bli laget.

Den neste revolusjonen var silisiumdatabrikkene, med stadig økende transistortetthet for stadig økende beregningskraft.

Kilde: Mobile First

For tiden eksperimenterer halvlederindustrien med stadig kraftigere systemer for å lage brikker i 5nm- og til og med 2nm-området. Dette bringer oss stadig nærmere et problem, siden det på et tidspunkt ikke lenger vil være mulig å bruke mindre og mindre silisiumtransistorer.

Ett enkelt silisiumatom er en teoretisk grense, men praktiske tekniske problemer vil sannsynligvis få det til å skje før den terskelen.

Så, vil datakraft slutte å utvikle seg herfra? Sannsynligvis ikke.

Løsningen vil imidlertid være å utføre beregninger ved hjelp av helt nye prinsipper. Det er faktisk mange potensielle måter å utføre databehandling uten å stole på silisiumtransistorer. Vi kan se på de mest lovende ideene uten å gå inn på de tekniske detaljene.

Ikke-silisium halvledere

En halvleder er et materiale med evnen til å bytte mellom å være ledende (sender elektrisk strøm, skaper en "1" data i binær) eller en isolant (blokkerer elektrisk strøm, lager en "0" data i binær).

Silisium har vært det valgte materialet for å lage halvlederbrikker, men mange alternativer utforskes nå. Ethvert materiale som viser egenskapen kalt band gap kan være en god kandidat.

kilde: Energiutdanning

Vanadiumdioksid

Vanadiumdioksid har i lang tid vært sett på som et godt alternativ for å erstatte silisium. Dette er fordi det gjennomgår et fenomen kjent som "gjennomgår metall-isolatoroverganger", som bare tar en trilliondel av et sekund.

Hastigheten på metall-isolator-overgangen skal gi mulighet for raskere og mindre elektronikk sammenlignet med klassisk silisiumbasert elektronikk.

Nyere forskning har klart å studere vanadiumdioksid avsatt på et substrat av titandioksid.

De oppdaget også at titandioksid også kan være en halvleder. Denne oppdagelsen kan tillate å lage nevromorfe brikker som kan lære på maskinvarenivå, og hente inspirasjon fra hjernen til levende systemer med nevroner.

Takket være den svært raske overgangen isolator-til-metall, kan vanadiumdioksid med et aktivt substrat av titandioksid brukes til å lage Mott nevronlignende oscillatorer i stand til å replikere biologiske nevroner på maskinvarenivå.

graphene

En annen god kandidat er grafen, et 2D-materiale med ekstremt høy elektrisk ledningsevne. Det er til og med en potensiell superleder og et "vidundermateriale" hvis egenskaper fortsatt blir oppdaget i sanntid.

Du kan lese mer om den første vellykkede innsatsen for å gjøre grafen til et halvledermateriale i vår artikkel "Grafenhalvledere – er de endelig her?"

Organiske materialer

Ifølge en nylig oppdagelse kan organisk materiale bli tvunget til å danne en 2D-struktur som ligner på grafen. Dette kan gjøre dem like ultraledende som grafen, mens de naturlig viser halvlederegenskaper, i motsetning til grafen som må "tvinges til å gjøre det".

Du kan lære mer om dette alternativet i "Kan organiske halvledere kombinere fordelene med grafen og silisium?"

Optimalisering av halvleders strømforbruk

Et problem med å bruke stadig raskere og mindre transistorer er det økende strømforbruket.

Et alternativ kan være å bruke en teknikk som kalles "redox gating." Dette er mer avhengig av en kjemisk reaksjon (redoks) og kan drastisk redusere strømbehovet.

Hvis prisen på databehandling begynner å stige fra strømkostnader mer enn brikkene selv, er dette en løsning vi kanskje ser implementert også. Vi utforsket de siste nyhetene om dette emnet i "Redox Gating kan føre til nye nivåer av effektivitet i bittesmå elektronikk".

Photonics

Alternative halvledermaterialer prøver å erstatte silisium. Men hva om databehandling ble gjort helt uten å bruke elektroner, transistorer og halvledere?

Dette er ideen om fotonikk, som ønsker å utføre databehandling direkte med lys.

Lys er den raskeste tingen i universet, så det kan være størrelsesordener raskere enn silisium- og halvlederbasert databehandling.

I praksis, fotonikk kan fortsatt involvere silisium men kunne også stole på krystaller.

På grunn av lysets bølgelignende natur er fotonisk design avhengig av kurver og unike (og noe ikke teknologisk modne ennå) designprinsipper som skiller seg fra de som brukes for halvledere.

kilde: Synopsis

Quantum Computing

Databehandling kan også utføres ved å måle ikke elektrisk strøm, men kvantetilstanden til partikler.

I stedet for å generere 0 og 1 (ingen strøm eller strøm), bruker den "kvantebiter", kalt qubits, der partikkeldata er enten 0 OG 1 på en gang, eller 1 eller 0.

På grunn av den grunnleggende forskjellen i beregningen, er ikke kvanteberegning et alternativ til "normal" databehandling, men snarere et komplement.

Standard databehandling fungerer lineært og sliter med svært komplekse beregninger, som klimamodellering, kryptografi eller 3D-konfigurasjonen av komplekse molekyler som proteiner. Og det er nettopp denne typen beregninger som kvanteberegning forventes å utmerke seg med.

Så selv om de kanskje ikke erstatter silisium, kunne kvantedatamaskiner utføre bedre oppgaver som tidligere var nesten umulige for silisiumbrikker.

Du kan lese mer om de siste nyhetene innen kvanteberegning i vår artikkel "Den nåværende tilstanden til kvanteberegning".

Biologiske organoider

Hjernene våre er i hovedsak superdatamaskiner, i det minste når det kommer til prosesser som mønstergjenkjenning, språk osv. Og veldig effektiv på det, og bruker knapt noen få dusin watt.

En sveitsisk oppstart, FinalSpark har nå utviklet en 0.5 mm stor kule (organoider) laget av 10,000 XNUMX menneskelige nevroner. Og bruker den til å utføre beregninger. Tjenesten vil til og med være tilgjengelig via skyen.

Dette er et veldig nytt felt, og det er ennå uklart hvor langt det vil gå. Men hvem vet, kanskje en dag vil våre selvkjørende enheter kjøre på nevroner i stedet for sjetonger.

Topp 10 ikke-silisium lager

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledende kraften bak kommersialiseringen av den første stormaskinen. Imidlertid har den falt bak i produksjonsvolumet til andre teknologigiganter som Apple, TSMC og NVIDIA.

Det er imidlertid i forkant av utviklingen av kvantedatamaskiner. For eksempel utviklet den sin 127-qubit "Eagle" kvantedatamaskin, som ble fulgt av et 433-qubit-system kjent som "Osprey."

Og dette er nå etterfulgt av "Condor", en 1,121 superledende kvanteprosessor basert på cross-resonance gate-teknologi, sammen med «Heron», en kvanteprosessor helt i ytterkanten av feltet.

IBM er involvert i de fleste andre banebrytende innovasjoner innen databehandling og halvlederindustrien. Disse inkluderer lede organisk materiale, nevromorf databehandling, fotonikkOsv

I noen grad har IBM blitt et "patentselskap" med ekspertise på å utvikle nye databehandlingsmetoder og lisensiere dem til industrien.

Så langt virker det veldig fast bestemt på å inneha så mange nøkkelpatenter i alle de ikke-silisiumbaserte databehandlingsmetodene den kan få, og gjenskaper tidligere suksess når den bidrar massivt til å utvikle halvlederindustrien til den giganten den er i dag.

2. Microsoft Corporation

Microsoft er allerede ledende innen "normale" skytjenester, og er en pioner innen å tilby skytjenester for kvantedatabehandling med Azure Quantum.

Det er fullt mulig at mesteparten av kvantedatamaskinen i fremtiden vil bli gjort «fjernt», avhengig av skytjenester som Microsofts, i stedet for direkte tilgang til en kvantedatamaskin.

Dette er spesielt sannsynlig ettersom de fleste av kvantedatabehandlingsapplikasjonene vil bli forsket på av biokjemikere, materialvitenskapelige eksperter, klimaforskere og andre spesialister uten spesifikk bakgrunn innen kvantedatabehandling.

Så det er mer fornuftig å stole på dedikerte fagfolk som jobber i firmaer som IBM, Microsoft eller Google for å håndtere databehandlingen enn å ansette eller lære opp folk som ikke er opplært til feltet.

Microsoft tjenestetilbud "hybrid computing", som blander kvantedatabehandling med tradisjonell skybasert superdatamaskintjeneste.

kilde: Microsoft

I stedet for vertikal integrasjon har Microsofts tilnærming til kvantedatabehandling vært å etablere partnerskap med ledere innen feltet som dekker praktisk talt alle teknologier som er mulige for å oppnå kvantedatabehandling, som IonQ (IONQ), Pasqal, Kvantinuum, QCI (QUBT), og Rigetti (RGTI).

kilde: Microsoft

Microsoft også etablerte i slutten av 2023 et samarbeid med fotoniske, et selskap som jobber med å slå sammen kvantedatabehandling og fotonikk.

Microsoft har også jobbet med analoge fotoniske brikker for finansbransjen.

Kvantedatabehandling er ikke sentralt for Microsofts virksomhet, i hvert fall ikke foreløpig. Det er likevel en sentral aktør i sektoren og kan være et «tryggere» aksjevalg fremfor å kjøpe aksjer direkte i sine kvantedatabehandlingspartnere som er børsnoterte, som QCI eller Rigetti.

3. Alfabet Inc.

Google er veldig aktiv innen kvantedatabehandling, mest gjennom sitt Google Quantum AI-laboratorium og Quantum AI-campus i Santa Barbara.

Googles kvantedatamaskin skrev historie i 2019 da Google hevdet å ha oppnådd «kvanteoverherredømme» med sin Sycamore-maskin, og utførte en beregning på 200 sekunder som ville ha tatt en konvensjonell superdatamaskin 10,000 XNUMX år.

Men kanskje Googles største bidrag vil være innen programvare, en aktivitet der de har en mye bedre merittliste enn maskinvare (søk, GSuit, Android, osv.). Googles kvante-AI tilbyr allerede en programvarepakke som er utviklet for å hjelpe forskere med å utvikle kvantealgoritmer.

Google er også en aktiv støttespiller for fotonikkselskaper som Lightmatter.

Google er sannsynligvis et av selskapene som setter standardene for kvantedatabehandlingsprogramvare og -programmering, og gir et privilegert sted å lede hvor feltet vil utvikle seg i fremtiden. Det kraftige nettverket og VC-aktiviteten vil sannsynligvis også gi en plass i enhver annen ikke-silisiumbasert form for databehandling.

4. Intel

Intel er en stor brikkeprodusent og ser ut til å ha som mål å utnytte denne styrken til kvantedatabehandlingsarenaen.

Den ble nylig utgitt "Tunnel Falls", den "mest avanserte silisiumspinn-qubit-brikken". Det som er bemerkelsesverdig med det er at det ikke er en prototype, men en brikke bygget i stor skala, med en 95% yield rate over waferen og spenningsuniformitet. Dette åpner veien for masseproduksjon av kvantedatabrikker, noe som foreløpig er unnvikende i en begynnende og raskt skiftende industri.

kilde: Intel

Tro mot røttene sine, utvikler Intel også programvaren for å utnytte brikkene, med utgivelsen av Intel Quantum SDKDette gir retningslinjene for programmerere for å utvikle programvare for kvantedatabehandling som er kompatibel med Intels kvantebrikkedesign, som historisk sett har vært en svært sterk og lønnsom forretningsgrav for Intels konvensjonelle brikkevirksomhet.

kilde: Intel

Ankomsten av skalerbar kvantebrikkeproduksjon kan være like revolusjonerende for industrien som ethvert annet mer teknisk vitenskapelig gjennombrudd, redusere kostnadene og sette felles programmeringsstandarder og brikkearkitekturer.

På slutten av 2023 bestemte Intel seg å selge sin fotonikkvirksomhet til Jabil (JBL).

Totalt sett gjør Intel fremgang innen kvantedatabehandling og ser ut til å ha en klar strategi for å fokusere på dette emnet ovenfor fotonikk og andre alternativer.

5. Nvidia

Den ledende produsenten av grafikkort og, mer nylig, gruverigger for kryptovaluta og AI-brikker har nå virkelig utviklet seg fra en produsent av PC-deler til en av de globale teknologigigantene.

Nvidia er også aktiv i kvanteberegningsområdet, med sine NVIDIA DGX Quantum kombinerer vanlige brikker og kvantedatabehandling ved å bruke den nylig åpne kildekoden CUDA kvanteprogramvareplattform.

kilde: Nvidia

Nvidia ønsker å forsterke ledelsen innen kunstig intelligens, og har også sluppet den QuantumX-800 for AI-optimalisert nettverk i datasentre.

Når det gjelder fotonikk, Nvidia har inngått et samarbeid med TSMC og Broadcom. Det vil se ut til å lage en enkelt modul gjennom co-packaged optikk (CPO) som integrerer klassiske silisiumbrikker og fotonikk.

Totalt sett er Nvidias suksess tett knyttet til den nåværende AI-boomen, og kvantedatamaskiner og fotonikk kommer på andreplass. Imidlertid vil selskapet også dra nytte av veksten i disse sektorene, og det ser ut til at de holder seg fast i løpet.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum er resultatet av sammenslåingen av Honeywell Quantum Solutions og Cambridge Quantum (og, som nevnt, en partner av Microsoft quantum cloud computing).

Quantinuum ser foreløpig ut til å fokusere på segmenter som er mindre utforsket av andre kvantedatabehandlingssystemer, spesielt finansielle og forsyningskjederelaterte analyser, gjennom sin Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)-motor, lansert i september 2023.

QMCI gjelder problemer som ikke har noen analytisk løsning, for eksempel prising av finansielle derivater eller simulering av resultater av høyenergipartikkelfysikkeksperimenter, og lover beregningsmessige fremskritt på tvers av virksomhet, energi, forsyningskjedelogistikk og andre sektorer.

I likhet med Microsoft er ikke kvantedatabehandling den sentrale delen av Honeywells virksomhet, som er mer sentrert rundt produkter innen luftfart, automatisering og spesialkjemikalier og -materialer.

Men med tanke på at hvert enkelt av disse forretningssegmentene kan dra nytte av kvantedatabehandling, er det ikke vanskelig å se forretningssaken for Honeywell å bli involvert.

Så dette gjør Honeywell til både en leverandør av kvantedatabehandlingstjenester og et av selskapene som kan dra nytte av bruken av kvantedatamaskiner til virkelige forretningssaker, noe integreringen av Quantinuum i konsernet bør bidra til å fremme i et raskere tempo enn dets industrielle konkurrenter.

7. Synopsys

Ethvert fotonisk system vil måtte integreres så sømløst som mulig med silisiumsystemer, i det minste først. Synopsys kan hjelpe med dette.

Selskapet er en spesialist i silisiumdesign og verifisering, noe som betyr at programvaren deres brukes til å designe nye brikker, inkludert ultraavanserte 5nm-brikker og under.

Selskapet tilbyr også programvare for fotonikk beskrevet som "Bransjens eneste sømløse designflyt for fotoniske enheter, systemer og integrerte kretser". Dette gjør det mulig å håndtere utforming og simulering av nye fotoniske enheter.

kilde: Synopsis

Selskapet har også utviklet et joint venture med Juniper Network for å opprette OpenLight, et fotonikkselskap som bruker indiumfosfid.

8. Juniper Network

Juniper hevder å tilby den ledende skybaserte trådløse løsningen og det eneste AI-drevne WiFi-nettverket. Dette setter dem i direkte konkurranse med eldre og mer etablerte giganter som Cisco. Junipers teknologi, Juniper Mist, hevdes å være mer skalerbar, fleksibel og bedre til å oppdage avvik enn Ciscos tilsvarende tilbud.

Selskapets løsninger er i stor grad avhengige av AI, med AI-motoren «Marvis» som brukes på alle nettverksnivåer, fra bruker til datasenter.

kilde: Juniper

Når det gjelder sikkerhet, viser Juniper også fremragende resultater på brannmurer, trusselforsvar og forsvar mot utnyttelser, og overgår de fleste leverandører som Fortinet, Palo Alto, Zscaler, etc.

Juniper tilbyr også Fotoniske integrerte kretser (PIC), som for tiden mest brukes til dataoverføring og sensorer. De forventes å være en integrert del av fremtidige fotonikkbaserte datamaskiner.

kilde: Synopsis

9. Rigetti Computing, Inc.

Riggeti er et kvantedatabedrift, "å eie kritisk IP for vår banebrytende multi-chip prosessor og den hybride kvanteklassiske tilnærmingen som har blitt den dominerende kvantedatabehandlingsarkitekturen.".

Selskapet integrerer alle trinnene som trengs for kvantedatabehandling, fra brikkedesign og produksjon opp til skylevering av datakraften.

kilde: Rigetti

Selskapet fokuserer ikke så mye på å legge til så mange qubits som mulig (som giganter som Intel gjør), men på å perfeksjonere deres eksisterende produkt og oppnå et veldig høyt nivå av troskap og hastighet, noe som gjør det til et mer pålitelig kommersielt produkt.

Den siste iterasjonen, 84-qubit Ankaa-3, forventes å bli avslørt i andre halvdel av 2024. Basert på Ankaa-konseptet sikter selskapet mot et 336+ qubit-system på lang sikt.

kilde: Rigetti

I desember 2023 startet Rigetti salget av 9-qubit system Novera, en "mini kvantedatamaskin" som selges for "bare" $900,000 4 og en 6-XNUMX ukers levering.

De første kundene inkluderte Fermilabs SQMS Center, Air Force Research Lab og Horizon Quantum Computing.

Selskapet kunngjorde våren 2024 at det ville bli med i Russel 3000-indeksen.

10. IPG fotonikk

IPG er en laserprodusent som produserer praktisk talt alle typer lasere, inkludert fiber-, diode-, UV- og dype UV-lasere. Med 6,200 42,000 ansatte, sender den XNUMX XNUMX+ laserenheter per år.

Spesialiteten er fiberlasere, med høye nivåer av presisjon og evnen til å utføre laserpulser så korte som et femtosekund (en kvadrilliondels sekund).

IPG-lasere brukes for tiden til:

• Avanserte vitenskapelige applikasjoner (spektroskopi, mikroskopi, interferometri, optisk fangst, etc.)
• Produksjon av batterier og elektriske motorer til elbiler.
• Materiell prosessering, spesielt metallskjæring, utskjæring, rengjøring og 3D-laserutskrift.
• Laser mikroprosessering, hvor lasere brukes til å lage ultrasmå strukturer.

Mens fremskritt innen fotonikkbrikker vil være nødvendig for å lage helt fotonikkbaserte datamaskiner, vet vi allerede at det vil integrere mye av en spesifikk og allerede vanlig komponent: lasere.

Lyset for fotonisk databehandling må være basert på svært stabilt lys som sendes ut av laseren. Så ledere i laserindustrien, som IPG, vil dra nytte av en boom i laseretterspørsel fra halvlederindustrien som gradvis bytter til fotonikk.

Og i det begynnende segmentet kan ultrakorte laserimpulser gjøres om til ultrarask datakraft.