Acompanhando a Lei de Moore com Substratos Ativos e Computação Neuromórfica

Novos Semicondutores Necessários

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.

A indústria de semicondutores tem crescido constantemente em importância nas últimas décadas, passando de computadores mainframe industriais para uma parte essencial de praticamente todas as máquinas e dispositivos hoje.

Esse crescimento tem sido impulsionado pela crescente complexidade e miniaturização dos semicondutores. No entanto, devido às propriedades físicas fundamentais do silício, os semicondutores baseados em silício estão começando a alcançar alguns limites.

Felizmente, o silício está longe de ser o único material que exibe propriedades semicondutoras, ou seja, a capacidade de alternar entre um estado em que funciona como isolante (não permitindo a passagem de eletricidade) e condutor (permitindo a passagem de eletricidade).

Novas pesquisas revelam novas percepções sobre a física fundamental de materiais semicondutores inovadores como o dióxido de vanádio e propriedades semicondutoras previamente inesperadas do dióxido de titânio.

The pesquisa 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.

Vanádio & Lei de Moore

O que torna o dióxido de vanádio um candidato principal para nova tecnologia de semicondutores é a capacidade do vanádio de alternar entre metal — o estado “1” — e isolante — o estado “0” — em apenas um trilhão de segundo.

Este é um fenômeno conhecido como “transições metal‑isolante”. A velocidade da transição metal‑isolante deve permitir eletrônicos mais rápidos e menores em comparação com os eletrônicos clássicos baseados em silício.

Isso é essencial se quisermos que a indústria de semicondutores acompanhe a Lei de Moore.

Formulada em 1965, a Lei de Moore é a lei empírica de que a indústria de semicondutores aumenta o número de transistores em um chip em 100 % a cada dois anos. Isso tem se mantido verdadeiro por décadas, mas os limites fundamentais dos chips de silício significam que novos tipos de materiais serão necessários em breve para mantê‑la verdadeira.

A Lei de Moore é uma aplicação à indústria de semicondutores da Lei de Wright de 1936, que afirma que os custos de fabricação reduzirão até 15 % a cada duplicação da produção (inicialmente desenvolvida para a indústria aeronáutica).

A Lei de Wright é mais uma regra sobre a economia de escala e a eficiência industrial ao aumentar a produção. Enquanto isso, a Lei de Moore trata mais de inovação tecnológica e é impulsionada pelos avanços na compreensão da física fundamental e da engenharia em escala nanométrica.

Novas Percepções

Métodos Avançados

Até agora, o dióxido de vanádio foi analisado e observado apenas como um componente isolado. Embora útil, isso limitou a compreensão do que realmente aconteceria em um semicondutor que depende do dióxido de vanádio.

In their publication in Advanced Materials (” Imagens Espaciotemporais In‑Operando de Elastodinâmica Acoplada Filme‑Substrato Durante uma Transição Isolante‑para‑Metal”), the researchers made several new discoveries.

Eles usaram microscopia de difração de raios X para observar mudanças em tempo real e com precisão ao nível atômico.

E eles aplicaram o dióxido de vanádio sobre um substrato de dióxido de titânio, como seria em um chip semicondutor real, em vez de estudá‑lo isoladamente.

Fonte: Advanced Materials

Este foi um empreendimento massivo, com o estudo em si levando mais de 10 anos e envolvendo muitas equipes de pesquisa e uma abordagem multidisciplinar.

“Ao reunir esses especialistas e combinar nossa compreensão do problema, conseguimos ir muito além do nosso escopo individual de expertise e descobrir algo novo.” – Roman Engel-Herbert, Director of the Paul Drude Institute of Solid State Electronics in Berlin

Movimentos do Vanádio

Os pesquisadores observaram pela primeira vez que o dióxido de vanádio se inchou para cima ao mudar para metal. Isso contrariou as previsões teóricas que assumiam que ele encolheria.

Fonte: Advanced Materials

Eles descobriram que um efeito previamente inesperado de átomos de oxigênio ausentes foi responsável pelo inchaço do material.

“Essas vacâncias neutras de oxigênio mantêm uma carga de dois elétrons, que podem ser liberados quando o material muda de isolante para metal. A vacância de oxigênio que resta agora está carregada e incha, levando ao inesperado inchaço observado no dispositivo.”

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Atividade Inesperada do Substrato de Titânio

Um quase dogma na fabricação de semicondutores é que apenas o filme fino de material semicondutor sobre o substrato está ativo quando submetido a uma corrente. O próprio substrato é um material eletricamente e mecanicamente passivo.

Neste estudo, os pesquisadores descobriram que isso não se aplica aos semicondutores de dióxido de vanádio.

Ao contrário, o dióxido de titânio, antes considerado inerte, também incha, pelo mesmo mecanismo envolvendo átomos de oxigênio ausentes.

Além disso, a camada superior de dióxido de titânio comportou‑se como o dióxido de vanádio, atuando também como um semicondutor.

Esta nova descoberta será crucial na construção de protótipos de semicondutores comerciais de dióxido de vanádio.

Aplicações

Semicondutores Mais Rápidos e Melhores

O dióxido de vanádio é considerado um material muito promissor para levar a tecnologia de semicondutores ao próximo nível, devido a algumas características fundamentais:

• A transição Isolante‑para‑Metal (IMT) ocorre a uma velocidade extrema de um trilhão de um segundo, abrindo caminho para cálculos ultra‑rápidos.
• O dióxido de vanádio possui efeitos eletrônicos fortemente correlacionados. Em termos simples, isso significa que a repulsão entre elétrons não pode ser ignorada, como é atualmente feito nos eletrônicos baseados em silício.
  • Isso, por sua vez, abre possibilidades de funcionalidades novas, como supercondutividade em alta temperatura e propriedades magnéticas aprimoradas.

Computação Neuromórfica

A descoberta do processo de realimentação positiva devido à ionização de vacâncias dos átomos de oxigênio ausentes deve reduzir ainda mais o tempo de IMT.

Isso tem consequências muito importantes, pois torna o dióxido de vanádio potencialmente o material adequado para um novo tipo de cálculo chamado computação neuromórfica.

A computação neuromórfica é um método onde sistemas computacionais se inspiram nos cérebros de sistemas vivos com neurônios.

Isto difere das redes neurais atualmente usadas por IA e LLMs que tentam imitar neurônios, mas ainda dependem de transistores de silício clássicos e são majoritariamente aprendizado de máquina baseado em software.

Portanto, chips neuromórficos poderiam aprender ao nível de hardware. E ao invés de saída binária (0s e 1s), eles produziriam picos de sinal.

Fonte: Tech Target

Graças à sua transição Isolante‑para‑Metal muito rápida, o dióxido de vanádio com um substrato ativo de dióxido de titânio poderia ser usado para criar osciladores de disparo semelhantes a neurônios de Mott capazes de replicar, ao nível de hardware, neurônios biológicos.

Visão Geral

Os semicondutores de dióxido de vanádio, a computação neuromórfica e os osciladores de disparo semelhantes a neurônios de Mott estão na fronteira da ciência dos materiais e do design de semicondutores, provavelmente a pelo menos uma década antes de alcançar viabilidade comercial.

Este intervalo de década é exatamente quando devemos esperar que os semicondutores baseados em silício comecem a falhar em manter a Lei de Moore válida.

Não há nada na Lei de Moore que diga que os semicondutores precisam ser baseados em silício. É, antes, uma observação empírica de que, enquanto houver demanda por chips mais poderosos, os pesquisadores continuam aprendendo mais sobre a física dos semicondutores em escalas cada vez menores.

Considerando que agora estamos estudando vanádio e dióxido de titânio em tempo real e ao nível atômico, parece razoável esperar que a Lei de Moore continue válida e que materiais como o vanádio sejam o próximo passo no design de semicondutores.

E, claro, outras formas inovadoras de computação também podem ajudar a manter a Lei de Moore no caminho, como fotônica ou computação quântica.

Empresas de Semicondutores Avançados

1. Intel

Intel (INTC ) é um gigante no setor de semicondutores e evoluiu ao longo dos anos de fundador da indústria a líder científico e de inovação, perdendo a posição de topo em volume de fabricação para empresas como a TSMC de Taiwan.

Intel é líder em computação neuromórfica, inclusive através do seu chip Loihi 2.

Fonte: Intel

Também criou a Intel Neuromorphic Research Community, que inclui a Pennsylvania State University, envolvida nesta recente pesquisa de dióxido de vanádio, além de mais de 75 outros grupos de pesquisa.

Fonte: Intel

Intel também está muito ativo em imitar sentidos biológicos ao replicar a forma como nosso cérebro funciona (ele próprio um ramo da computação neuromórfica), algo que discutimos mais em nosso artigo “Chips Olfativos Biomiméticos: A Inteligência Artificial e os Narizes Eletrônicos são o Próximo Canário em uma Mina de Carvão?”.

No geral, a pesquisa do Intel Lab está na vanguarda da inovação em semicondutores, incluindo IA, computação quântica, computação neuromórfica, etc. (discutimos os avanços da Intel em computação quântica em nosso artigo “O Estado Atual da Computação Quântica”).

2. IBM

Outro pioneiro histórico em computação, semicondutores e design de chips, International Business Machines Corporation (IBM) também está investigando a computação neuromórfica (IBM ).

Também está desenvolvendo SyNAPSE: Computação neurossináptica escalável e energeticamente eficiente, apoiado pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), para combinar “nanociência, neurociência e supercomputação para simular e emular as habilidades do cérebro para sensação, percepção, ação, interação e cognição”.

Está igualmente na vanguarda do desenvolvimento de computadores quânticos. Por exemplo, desenvolveu seu computador quântico de 127 qubits “Eagle”, que foi seguido por um sistema de 433 qubits conhecido como “Osprey” e o processador quântico de 1.121 qubits supercondutores “Condor”.

Fonte: All About Circuits

Junto com a Intel, a IBM está entre as empresas que mais impulsionam novas formas de tecnologias de computação, como computação quântica e neuromórfica, e provavelmente se beneficiará dos avanços feitos na compreensão da física atômica fundamental de materiais como o dióxido de vanádio.