Nanoteknologi som driver gränserna för databehandling med hastighet och effektivitet

Avancerade datorteknologier gör stora framsteg mot att uppnå hög hastighet och låg energiförbrukning.

Viktiga framsteg inom detta område inkluderar nya kiselarkitekturer som använder lagerdesign för att bygga snabbare och mindre chip till lägre kostnad. Samtidigt utnyttjar fotonic computing ljusvågor för att bearbeta och lagra data. Med ljusets hastighet som helt oöverträffad kan detta erbjuda hög hastighet och låg latens.

Sedan finns biologisk databehandling, där information kodas och lagras i biologiska celler, drivet av framsteg inom nanobioteknik. Kvantdatorer erbjuder också betydande potential, löser komplexa problem snabbare än dagens datorer genom att utnyttja kvantsuperposition, sammanflätning och interferens.

Dessutom efterliknar neuromorfisk databehandling hjärnans neurala system för att utföra parallella beräkningar; molndatabehandling flyttar bearbetning till fjärr- eller virtuella platser; och edge-databehandling flyttar bearbetning från centrala anläggningar närmare slutanvändarna.

Alla dessa utvecklingar inom datorteknik, som fokuserar på verktyg och system för bearbetning, lagring och kommunikation av data, har lett till enastående framsteg inom områden som artificiell intelligens (AI) och dataanalys.

Pågående forskning inom området har lett till fortsatt och snabb innovation i datorteknik, där forskare nu går ännu djupare för att uppnå bättre, snabbare och mer effektiva resultat.

Genombrott i laserskala nanofabrikation i kisel

Forskare från Bilkent University, Turkiet, har nyligen uppnått ett betydande genombrott genom att utveckla en teknik för att tillverka nanostrukturer djupt inne i kiselskivor. 

Den nya metoden möjliggör nanofabrikation inom kisel genom rumslig ljusmodulering och laserpulser, vilket skapar avancerade nanostrukturer som kommer att gynna elektronik och fotonik.

Studien fokuserade på kisel, grunden för elektronik, fotonik och fotovoltaik. Som halvledare ligger kisels elektriska ledningsförmåga mellan en isolator och en ren ledare. Det är det näst mest förekommande elementet i jordens skorpa och har både metalliska och icke‑metalliska egenskaper. Dessutom gör kisels utmärkta elektriska egenskaper, inklusive dess relativt lilla energibandgap, det till ett viktigt material i halvledarindustrin.

Dock har kisel varit begränsat till nanofabrikation på ytan på grund av svårigheterna med befintliga litografitekniker. Nuvarande metoder kan antingen inte penetrera skivans yta utan att orsaka förändringar eller är begränsade av upplösningen i laserlitografi. Dessutom tillåter befintliga tekniker inte högprecisionsmodulering djupt inom skivan. 

Om enheter kunde tillverkas direkt inuti bulk av detta material utan att förändra skivans övre eller nedre yta, skulle det sätta en ny standard.

Självklart innebär det att övervinna alla dessa utmaningar med en tillverkningsupplösning på mer än 1 mikron samtidigt som man uppnår flerdimensionell nanoskalig kontroll inuti skivan. Att göra detta skulle dock vara ett magiskt framsteg, som möjliggör 3D‑nanofotonik med nya funktioner och leder till metasurfaces inuti Si. 

Den senaste forskningen utnyttjade rumsligt modulerade laserstrålar och anisotrop återkoppling från förformade underliggande strukturer för att uppnå detta. Detta gjorde det möjligt för teamet att etablera kontrollerad nanofabrikationsförmåga inuti Si genom att manipulera materia på nanoskalig nivå. 

För att utveckla vidare adresserade Bilkent‑teamet utmaningen med komplexa optiska effekter inom skivan och den inneboende diffraktionsgränsen för laserljuset genom att använda den unika laserpulsen, som skapades genom att modulera den rumsliga. De rumsligt modulerade laserpulserna motsvarar en Bessel‑funktion. 

De optiska spridningseffekterna, som hade hindrat exakt energideposition, övervanns sedan av den speciella laserstrålens icke‑diffrakterande natur. Denna icke‑diffrakterande natur skapas med avancerade holografiska projektionstekniker, vilket möjliggör exakt lokalisering av energi. Detta leder till tillräckligt högt tryck och temperatur för att förändra materialet i en liten volym. 

Enligt Onur Tokel, professor vid institutionen för fysik:

“Vår metod är baserad på att lokalisera energin från laserpulsen inom ett halvledarmaterial till en extremt liten volym, så att man kan utnyttja framväxande fältförstärknings‑effekter som liknar de i plasmonik. Detta leder till subvåglängds‑ och flerdimensionell kontroll direkt inuti materialet.”

Han tillade:

“Vi kan nu tillverka nanofotoniska element begravda i kisel, såsom nanogitter med hög diffraktionsverkningsgrad och även spektralkontroll.”

Detta följdes av en framväxande såddeffekt, där nano‑voids på underytan skapade en stark fältförstärkning i deras omgivning. När den väl är etablerad upprätthåller den resulterande fältförstärkningen sig själv, vilket betyder att skapandet av tidigare nanostrukturer hjälper till att tillverka de senare nanostrukturerna. 

Samtidigt gav användningen av laserpolarisation forskarna ytterligare kontroll över nanostrukturernas inriktning och symmetri på nanoskalig nivå, vilket möjliggör exakt utveckling av varierade nano‑arrayer.

“Genom att utnyttja den anisotropa återkopplingsmekanismen som finns i laser‑materialinteraktionssystemet uppnådde vi polarisationsstyrd nanolitografi i kisel.”

– Studieledande författare, Dr. Asgari Sabet 

Denna nya tillverkningsmetod har uppnått funktionsstorlekar så små som 100 nm, vilket är en stor förbättring jämfört med de konventionella regime. 

Denna studie kan ha betydande implikationer för system på nanoskalig nivå med specifika strukturer genom att demonstrera storskalig volymetrisk nanostrukturering med flerdimensionell kontroll och funktioner bortom diffraktionsgränsen. Enligt forskarna kan potentiella framtida framsteg som följer av denna studie inkludera metamaterial, metasurfaces, informationsbearbetningsapplikationer och fotoniska kristaller.

Forskningen visar också stor potential för integration med on‑chip‑system, där den introducerade nanogitterkapaciteten är ett steg mot detta mål. Studien noterar att det också utgör den första flerskikts Si‑fotoniken.

Sammanfattningsvis har studien introducerat “ett nytt tillverkningsparadigm för kisel. Förmågan att tillverka på nanoskalig nivå direkt i kisel öppnar ett nytt regime mot vidare integration och avancerad fotonik,” sade Prof. Tokel. Nästa steg för studien är att undersöka om fullständig 3D‑nanotillverkning i Si kan uppnås. 

Klicka här för att lära dig hur avancerad nanofotonik kommer att hjälpa oss att bygga en bättre smartphone.

Nanomaterial som banar vägen för nästa generations databehandling

Som vi såg ovan riktar forskare in sig på nanostrukturer för bättre resultat. Nanoteknologi handlar om att kontrollera materia på nanoskalig nivå, från 1 till 100 nanometer i storlek. 

På en så liten skala kan vi uppleva unika egenskaper och beteenden hos material, vilket möjliggör för forskare och ingenjörer att manipulera dem för olika tillämpningar. Som ett resultat har nanoteknologi breda implikationer inom många industrier, inklusive energi, elektronik, medicin och materialvetenskap.

Med stor potential att lösa några av världens mest akuta utmaningar har nanoteknologi utvecklats snabbt med kontinuerliga framsteg och genombrott, särskilt inom databehandling och elektronik. Nanoteknologi har faktiskt bidragit avsevärt till stora framsteg inom dessa sektorer, vilket har lett till snabbare, mindre och mer bärbara system.

Till exempel har nanomaterial som grafen och kolnanorör visat lovande resultat för att skapa flexibla och transparenta elektronik.

Nanostrukturer har transformerat fälten för halvledare och databehandling genom att förbättra de elektriska, optiska och magnetiska egenskaperna hos material jämfört med deras massiva motsvarigheter.

I detta sammanhang görs framsteg inom kvantdatorer och kommunikation med nanoskaliga kvantbitar. Dessutom fortsätter forskningen att utveckla nanomaterial för högkapacitets, snabbladdande batterier och superkondensatorer. Samtidigt möjliggör framsteg i nanoskaliga tillverkningstekniker skapandet av miniatyriserade enheter och komponenter med kraftfull prestanda.

Genom att möjliggöra utvecklingen av mindre och mer effektiva enheter som nanoskaliga transistorer och minneschip har nanoteknologi enormt ökat beräkningskraften och lagringskapaciteten, vilket driver gränserna för Moores lag.

Moores lag som nämns här formulerades av Intel (INTC ) ‑medgrundaren Gordon Moore, som föreslog att antalet transistorer på ett enda chip skulle fördubblas ungefär varannan år, med minimal kostnadsökning.

Om vi tittar på det, var det på 1950‑talet som transistorer först började ersätta vakuumrör som den viktigaste komponenten i elektroniska kretsar. Medan de första transistorerna vanligtvis var en centimeter långa, mättes de snart i millimeter.

Snabbspola till början av detta århundrade, minskades storleken till mellan 130 och 250 nanometer, för att sedan ytterligare minskas till endast 14 nanometer för ungefär ett decennium sedan. Sedan, 2015, halverade IBM denna storlek genom att skapa den första sju‑nanometer transistorn. Denna resa mot mindre men bättre och snabbare transistorer fortsätter än idag.

Under de senaste åren har den minsta transistorstorleken i produktion minskats till 3 nm, med IBM som annonserade en 2 nm transistor i maj 2021, vilket är mindre än en DNA‑sträng. Vi fokuserar på transistorer eftersom de är grundläggande för att driva nästan alla elektroniska enheter.

Intressant nog, ju mindre dessa transistorer blir, desto mindre energi förbrukar de och desto snabbare blir de. Många tror dock att man bara kan göra något mindre under en begränsad tid, och så småningom kommer vi inte kunna fortsätta minska. Det är då nya nanomaterial och avancerad teknik kommer att behövas för att förbättra våra enheter.

Detta har lett forskare att rikta sitt fokus mot teknologier som neuromorfa system, vilka kräver utveckling av nya artificiella neuroner och synapser som kan överträffa prestandan hos standard‑CMOS (komplementär metall‑oxid‑halvledare) kretsar.

Genom att använda artificiella neuroner och synapser simulerar dessa datorer hur mänskliga hjärnor bearbetar information. Detta gör att de kan känna igen mönster, lösa problem och fatta beslut mer effektivt och snabbt än nuvarande datorer. Även om detta område fortfarande är nytt, visar det lovande resultat inom kognitiv databehandling, autonoma fordon och AI, där hastighet och effektivitet är viktiga.

Forskare utforskar också nya materialklasser, såsom kvantprickar och grafen, för att möta behoven av avancerad databehandling. Nyliga studier har utforskade Quantum Dot Cellular Automata (QCA) för att designa nanoskaliga datorer med förbättringar både i hastighet och effektivitet.

Förutom grafen övervägs 2D‑material som övergångsmetall‑dikalkogenider (2D‑TMDs) för användning i halvledare. Detta materials stora yta möjliggör effektiv ljusinteraktion och förbättrar dess förmåga att manipulera ljus, medan dess ovanliga laddningsbärare‑mobilitet ökar enhetens prestanda. Dess hållbarhet gör det motståndskraftigt för olika verkliga tillämpningar.

Som nämnt ovan syftar den senaste forskningen som uppnår nanofabrikation i kisel också till att möjliggöra nästa generation av kiselbaserade chip med avsevärt större bearbetningskraft.

Klicka här för en lista över de främsta företagen som arbetar för att driva nanoteknologifältet framåt.

Företag som arbetar med avancerad datorteknik

Om vi betraktar företag som är involverade i detta område, tillhandahåller Applied Materials (AMAT ) (AMAT) nanotillverkningsteknologi för avancerade halvledare. Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) utvecklar högpresterande hårdvara för databehandling och utforskar avancerade datorteknologier.

NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), känd för sina GPU:er, är också starkt investerad i forskning kring kvantdatorer. Nvidia‑superdatorer används för att utveckla kvantannealingsystem för att lösa specifika problem. NVIDIA, ofta kallad ‘AI‑älskling’, har sett sina aktier stiga 157 % år‑till‑datum (YTD).

Företaget rapporterade rekordförsäljning på 26 miljarder dollar under 1Q24, upp 18 % från föregående kvartal och 262 % från ett år tidigare. Företaget meddelade också en tio‑för‑en aktiesplit den 7 juni 2024 och höjde sin kvartalsvisa kontantutdelning till 0,01 $.

Låt oss nu titta på de företag som är pionjärer inom forskning om avancerad databehandling, nanoteknologi och innovationer inom chipdesign.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) är ett populärt teknikföretag som är involverat i moln‑ och AI‑möjligheter. Dess fokus ligger på forskning kring kvantdatorer och att driva fram halvledarteknik.

Under det senaste året introducerade företaget sin senaste generation kvantprocessor, IBM Heron, som har 133 fastfrekventa qubits och en tre‑ till fem‑faldig förbättring av enhetens prestanda.

Enligt Jay Gambetta, vice VD på IBM Quantum:

“Den fulla kraften i att använda kvantdatorer kommer att drivas av generativ AI för att förenkla utvecklarupplevelsen.”

Företaget har ett marknadsvärde på 180,57 miljarder dollar, och dess aktier handlas till 195,51 $, upp 19,86 % YTD. Dess utdelningsavkastning är 3,41 %. För 2Q24 rapporterade IBM en omsättning på 15,8 miljarder dollar, en ökning med 2 % från föregående år.

Det fria kassaflödet var samtidigt 2,6 miljarder dollar, vilket företaget ökade till 12 miljarder dollar för helårsutsikterna, med 1,5 miljarder dollar återbetalat till aktieägarna i utdelningar under perioden. Företaget avslutade kvartalet med 16 miljarder dollar i kontanter, begränsade kontanter och likvida värdepapper. Medan IBM:s expertis inom företags‑AI och dess generativa AI‑verksamhet har vuxit till över 2 miljarder dollar sedan lanseringen av Watsonx för ett år sedan, säger IBM:s VD Arvind Krishna:

“Vi hade ett starkt andra kvartal, som överträffade våra förväntningar.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) innoverar chipdesign och utforskar neuromorfisk och kvantdatorer. Denna tillverkare av halvledarchip är uppfinnaren av x86‑serien av mikroprocessorer, som finns i de flesta persondatorer. Företaget arbetar för närvarande med att återta sin fördel inom global chipproduktion, för vilket det mottagit finansiering via bidrag och lån från den amerikanska regeringen.

Genom neuromorfisk forskning syftar Intel till att påskynda framtiden för adaptiv AI genom att samdesigna optimerad hårdvara med nästa generations AI‑programvara. Dessutom har Intel etablerat Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Detta globala samarbetsinitiativ förenar team från forskningsinstitutioner, akademiska grupper, företag och statliga laboratorier för att driva fram gränsen för hjärninspirerad AI.

Företaget har ett marknadsvärde på 89,56 miljarder dollar, och dess aktier handlas till 21,06 $, ner 58,23 % YTD. För 2Q24 rapporterade Intel “besvikna” finansiella resultat, med en omsättning på 12,8 miljarder dollar, ner 1 % år‑till‑år, medan icke‑GAAP EPS var 0,02 $. Företaget meddelade en suspenderad utdelning från och med fjärde kvartalet 2024 samtidigt som de återupprepade sitt “långsiktiga engagemang för en konkurrenskraftig utdelning när kassaflödena förbättras till hållbart högre nivåer.”

Slutsats

Avancerad databehandling, som fokuserar på nya metoder och teknologier som driver innovativa beräkningsmetoder, lockar betydande intresse från företag, forskare, ingenjörer och regeringar. Trots allt är den grundläggande för cybersäkerhet, finansmarknader och många andra kritiska infrastrukturer. Dessutom stöds den omfattande användningen av AI av avancerad beräkningskraft, tillsammans med data, algoritmer och mikrochip.

Under de senaste decennierna har framsteg inom datorteknik avsevärt förbättrat prestanda och funktionalitet hos de enheter vi regelbundet använder, vilket i sin tur driver tillväxten av den digitala ekonomin. Med tanke på dess djupa påverkan på samhället är fortsatt forskning och utveckling ett måste för att möta kraven från energikrävande beräkningar och bana vägen för avancerad databehandling, vilket möjliggör skapandet av produkter och tjänster som tidigare var otänkbara.

Klicka här för en lista över de bästa nanoteknologiska aktierna.