Hålla jämna steg med Moores lag med aktiva substrat och neuromorfisk beräkning

Ny semiconductorer behövs

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.

Denna tillväxt har drivits av halvledarnas ökande komplexitet och miniaturisering. Men på grund av kiselns grundläggande fysiska egenskaper börjar kiselbaserade halvledare nå vissa gränser.

Lyckligtvis är kisel långt ifrån det enda materialet som uppvisar halvledaregenskaper, dvs förmågan att växla mellan ett tillstånd där det fungerar som isolator (hindrar elektrisk ström) och ledare (tillåter elektrisk ström).

Ny forskning avslöjar nya insikter i den grundläggande fysiken hos innovativa halvledarmaterial som vanadinoxid och tidigare oväntade halvledaregenskaper hos titandioxid.

The forskning 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.

Vanadin & Moores lag

Det som gör vanadinoxid till en främsta kandidat för ny halvledarteknik är vanadins förmåga att växla mellan metall — ”1”-tillståndet — och isolator — ”0”-tillståndet — på bara en biljondel sekund.

Detta är ett fenomen känt som “genomgående metall‑isolator‑övergångar”. Hastigheten på metall‑isolator‑övergången bör möjliggöra snabbare och mindre elektronik jämfört med klassisk kiselbaserad elektronik.

Detta är avgörande om vi vill att halvledarindustrin ska hålla jämna steg med Moores lag.

Formulerad 1965 är Moores lag den empiriska lagen att halvledarindustrin fördubblar antalet transistorer på ett chip varannan år. Detta har hållit i årtionden, men de grundläggande begränsningarna för kiselskivor innebär att nya material snart kommer att behövas för att lagen ska fortsätta gälla.

Moores lag är en tillämpning på halvledarindustrin av Wrights lag från 1936, som säger att tillverkningskostnaderna minskar med upp till 15 % för varje fördubbling av produktionen (ursprungligen utvecklad för flygindustrin).

Wrights lag är mer en regel om stordriftsfördelar och industriell effektivitet vid produktionsökning. Samtidigt handlar Moores lag mer om teknisk innovation och drivs av framsteg i förståelsen av grundläggande fysik och nanometerskala‑teknik.

Nya insikter

Avancerade metoder

Hittills har vanadinoxid bara analyserats och observerats som en isolerad komponent. Även om det är användbart begränsade det förståelsen av vad som faktiskt skulle hända i en halvledare som förlitar sig på vanadinoxid.

I deras publikation i Advanced Materials (“In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition”) gjorde forskarna flera nya upptäckter.

De använde röntgendiffraktionsmikroskopi för att observera förändringar i realtid och med precision på atomnivå.

Och de applicerade vanadinoxid ovanpå ett titandioxidsubstrat, som det skulle vara i ett riktigt halvledarchip, istället för att studera det isolerat.

Källa: Advanced Materials

Detta var ett enormt företag, där studien själv tog mer än 10 år och involverade många forskarteam samt ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt.

“Genom att samla dessa experter och kombinera vår förståelse av problemet kunde vi gå långt bortom vår individuella kompetens och upptäcka något nytt.” – Roman Engel-Herbert, chef för Paul Drude Institute of Solid State Electronics i Berlin

Vanadinrörelser

Forskarna observerade för första gången att vanadinoxid svällde uppåt när den övergick till metall. Detta gick emot teoretiska förutsägelser som antog att den skulle krympa.

Källa: Advanced Materials

De upptäckte att en tidigare oväntad effekt från saknade syreatomer var ansvarig för materialets svullnad.

“Dessa neutrala syrevacansier har en laddning på två elektroner, som de kan frigöra när materialet övergår från isolator till metall. Syrevacansen som blir kvar är nu laddad och sväller, vilket leder till den observerade överraskande svullnaden i enheten.” – Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Titaniums substrats oväntade aktivitet

En quasi‑dogma inom halvledartillverkning är att endast den tunna filmen av halvledarmaterial ovanpå substratet är aktiv när den utsätts för en ström. Själva substratet är ett elektriskt och mekaniskt passivt material.

I denna studie upptäckte forskarna att detta inte gäller för vanadinoxid‑halvledare.

Istället sväller den tidigare ansedda inerta titandioxiden också, genom samma mekanism som involverar saknade syreatomer.

Dessutom beter sig det övre lagret av titandioxid som vanadinoxid och fungerar också som en halvledare.

Denna nya upptäckt kommer att vara avgörande för att bygga prototyper av kommersiella vanadinoxid‑halvledare.

Tillämpningar

Snabbare, bättre halvledare

Vanadinoxid anses vara ett mycket lovande material för att föra halvledartekniken till nästa nivå, på grund av några grundläggande egenskaper:

• Isolator‑till‑metall‑övergången (IMT) sker med en extrem hastighet på en biljondel sekund, vilket öppnar vägen för ultrarapida beräkningar.
• Vanadinoxid har starkt korrelerade elektroniska effekter. Enkelt uttryckt betyder det att repulsion mellan elektroner inte kan ignoreras, vilket för närvarande görs i kiselbaserad elektronik.
  • Detta öppnar i sin tur möjligheter till nya funktioner såsom högtemperatur‑supraledning och förbättrade magnetiska egenskaper.

Neuromorfisk beräkning

Upptäckten av den positiva återkopplingsprocessen på grund av vakuumjonisering från de saknade syreatomerna bör minska IMT-tiden ytterligare.

Detta har mycket viktiga konsekvenser, eftersom det gör vanadinoxid potentiellt till rätt material för en ny typ av beräkning som kallas neuromorfisk beräkning.

Neuromorfisk beräkning är en metod där datasystem inspireras av levande systemens hjärnor med neuroner.

Detta skiljer sig från de neurala nätverk som för närvarande används av AI och LLM:er och som försöker efterlikna neuroner, men fortfarande förlitar sig på klassiska kiseltransistorer och huvudsakligen är mjukvarubaserad maskininlärning.

Således kan neuromorfa chip lära sig på hårdvarunivå. Och istället för binär utdata (0 och 1) skulle de producera signalspikar.

Källa: Tech Target

Tack vare dess mycket snabba isolator‑till‑metall‑övergång kan vanadinoxid med ett aktivt titandioxidsubstrat användas för att skapa Mott neuron-like spiking oscillators som kan replikera biologiska neuroner på hårdvarunivå.

Översikt

Vanadinoxid‑halvledare, neuromorfisk beräkning och Mott‑neuronliknande spikoscillatorer befinner sig i framkanten av materialvetenskap och halvledardesign, troligen minst ett decennium innan de blir kommersiellt livskraftiga.

Detta decennium är exakt den period då vi bör förvänta oss att kiselbaserade halvledare börjar misslyckas med att hålla Moores lag giltig.

Det finns inget i Moores lag som säger att halvledare måste vara kiselbaserade. Det är snarare en empirisk observation att så länge det finns en efterfrågan på kraftfullare chip, fortsätter forskare att lära sig mer om halvledarfysik på allt mindre skala.

Med tanke på att vi nu studerar vanadin- och titandioxider i realtid och på atomnivå, verkar det rimligt att förvänta sig att Moores lag fortsätter att gälla och att material som vanadin blir nästa steg i halvledardesign.

Och naturligtvis kan andra innovativa beräkningsmetoder också hjälpa till att hålla Moores lag på rätt spår, såsom fotonik eller kvantberäkning.

Företag med avancerade halvledare

1. Intel

Intel (INTC ) är en jätte inom halvledarsektorn och har utvecklats under åren från en grundare av industrin till en ledare inom vetenskap och innovation, och har förlorat förstaplatsen i tillverkningsvolym till företag som Taiwans TSMC.

Intel är en ledare inom neuromorfisk beräkning, bland annat genom dess Loihi 2‑chip.

Källa: Intel

Det har också skapat Intel Neuromorphic Research Community, som inkluderar Pennsylvania State University, som är involverad i den senaste vanadinoxidforskningen, samt över 75 andra forskargrupper.

Källa: Intel

Intel är också mycket aktivt i att efterlikna biologisk sinnesuppfattning genom att replikera hur vår hjärna fungerar (själv en gren av neuromorfisk beräkning), något vi diskuterade vidare i vår artikel “Biomimetic Olfactory Chips: Are Artificial Intelligence and E-Noses the Next Canary in a Coal Mine?”.

Sammanfattningsvis ligger forskningen från Intel Lab i framkant av halvledarinnovation, inklusive AI, kvantberäkning, neuromorfisk beräkning osv. (vi diskuterar Intels framsteg inom kvantberäkning i vår artikel “The Current State of Quantum Computing ”).

2. IBM

En annan historisk pionjär inom databehandling, halvledare och chipdesign, International Business Machines Corporation (IBM) undersöker också neuromorfisk beräkning (IBM ).

Den utvecklar också SyNAPSE: Scalable energy-efficient neurosynaptic computing, stödd av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), för att kombinera ”nanovetenskap, neurovetenskap och superdatorer för att simulera och efterlikna hjärnans förmågor för känsel, perception, handling, interaktion och kognition”.

Den är också i framkant av utvecklingen av kvantdatorer. Till exempel utvecklade den sin 127‑qubit‑kvantdator “Eagle”, som följdes av ett 433‑qubit‑system känt som “Osprey” och den 1 121‑superledande‑qubit‑kvantprocessorn “Condor”.

Källa: All About Circuits

Tillsammans med Intel är IBM bland de företag som mest aggressivt driver på för nya former av beräkningstekniker, såsom kvant- och neuromorfisk beräkning, och sannolikt kommer att dra nytta av de framsteg som gjorts i förståelsen av den grundläggande atomfysiken i material som vanadinoxid.