Topp 10 icke-siliconbaserade datortillverkare

Från kisel till nya former av beräkning

Den datortekniska industrin föddes när mekaniska enheter började utföra kalkyl som tidigare var reserverad för den mänskliga hjärnan. Men det var med vakuumrör och senare transistorer som de första riktiga datorerna började skapas.

Den nästa revolutionen var kiselbaserade datorkretsar, med ständigt ökande transistor‑densitet för ständigt ökande beräkningskraft.

Källa: Mobile First

För närvarande experimenterar halvledarindustrin med allt kraftfullare system för att skapa kretsar i 5 nm‑ och till och med 2 nm‑området. Detta för oss närmare ett problem, eftersom det så småningom inte längre kommer att vara möjligt att använda allt mindre kiseltransistorer.

En enda kiselatom är en teoretisk gräns, men praktiska ingenjörsproblem kommer troligen att göra att vi når den innan dess.

Kommer beräkningskraften alltså att sluta utvecklas härifrån? Troligen inte.

Dock kommer lösningen att vara att utföra beräkningar med helt nya principer. Det finns faktiskt många potentiella sätt att utföra beräkning utan att förlita sig på kiseltransistorer. Vi kan titta på de mest lovande idéerna utan att gå in på tekniska detaljer.

Icke‑siliconbaserade halvledare

En halvledare är ett material som kan växla mellan att vara ledande (förmedlar elektrisk ström, skapar ett ”1”‑data i binär kod) eller isolerande (blockerar elektrisk ström, skapar ett ”0”‑data i binär kod).

Kisel har varit materialet som föredragits för att skapa halvledarkretsar, men många alternativ utforskas nu. Alla material som uppvisar ett så kallat bandgap kan vara bra kandidater.

Källa: Energy Education

Vanadiumdioxid

Under en längre tid har vanadiumdioxid setts som ett bra alternativ för att ersätta kisel. Detta beror på att det genomgår ett fenomen känt som ”metall‑isolator‑övergångar”, vilket tar endast en triljondel av en sekund.

Hastigheten i metall‑isolator‑övergången bör möjliggöra snabbare och mindre elektronik jämfört med klassisk kiselbaserad elektronik.

Ny forskning har lyckats studera vanadiumdioxid deponerat på en titandioxid‑substrat.

De upptäckte också att titandioxid kan fungera som en halvledare. Denna upptäckt kan möjliggöra skapandet av neuromorfa kretsar som kan lära sig på hårdvarunivå, inspirerade av levande nervsystem med neuroner.

Tack vare dess mycket snabba isolator‑till‑metall‑övergång kan vanadiumdioxid med ett aktivt titandioxid‑substrat användas för att skapa Mott‑neuronliknande spikande oscillatorer som kan efterlikna biologiska neuroner på hårdvarunivå.

Grafen

En annan lovande kandidat är grafen, ett 2D‑material med extremt hög elektrisk ledningsförmåga. Det är till och med ett potentiellt supraledande material och ett ”mirakelmaterial” vars egenskaper fortfarande upptäcks i realtid.

Du kan läsa mer om de första framgångsrika försöken att göra grafen till ett halvledarmaterial i vår artikel “Grafen‑halvledare – Är de äntligen här?”.

Organiska material

Enligt en ny upptäckt kan organiska material tvingas bilda en 2D‑struktur liknande grafen. Detta kan göra dem lika ultraledande som grafen, samtidigt som de naturligt uppvisar halvledaregenskaper, till skillnad från grafen som måste ”tvingas” att göra så.

Du kan lära dig mer om detta alternativ i “Kan organiska halvledare kombinera fördelarna med grafen & kisel?”.

Optimera halvledares energiförbrukning

Ett problem med att använda allt snabbare och mindre transistorer är den ökande energiförbrukningen.

Ett alternativ kan vara att använda en teknik som kallas ”redox‑gating”. Detta förlitar sig mer på en kemisk reaktion (redox) och kan drastiskt minska energibehovet.

Om kostnaden för beräkning börjar stiga på grund av energikostnader mer än själva kretsarna, kan detta bli en lösning som implementeras. Vi undersökte de senaste nyheterna om detta i “Redox‑gating kan leda till nya nivåer av effektivitet i små elektronik”.

Fotonik

Alternativa halvledarmaterial försöker ersätta kisel. Men vad händer om beräkning utförs helt utan att använda elektroner, transistorer och halvledare?

Detta är idén med fotonik, som syftar till att utföra beräkning direkt med ljus.

Ljus är det snabbaste i universum, så det kan vara flera storleksordningar snabbare än kisel‑ och halvledarbaserad beräkning.

I praktiken kan fotonik fortfarande involvera kisel men kan också förlita sig på kristaller.

På grund av ljusets vågliknande natur bygger fotonisk design på kurvor och unika (och ännu inte helt tekniskt mogna) designprinciper som skiljer sig från de som används för halvledare.

Källa: Synopsis

Kvantberäkning

Beräkning kan också utföras genom att mäta inte elektrisk ström utan kvanttillståndet hos partiklar.

Istället för att generera 0 och 1 (ingen ström eller ström) använder den ”kvantbitar”, kallade qubitar, där partikeldata kan vara 0 OCH 1 samtidigt, eller 1, eller 0.

På grund av den fundamentala skillnaden i beräkning är kvantberäkning inte ett alternativ till ”normal” beräkning utan snarare ett komplement.

Standardberäkning fungerar linjärt och har problem med mycket komplexa beräkningar, som klimatmodellering, kryptografi eller den 3D‑konfiguration av komplexa molekyler som proteiner. Och detta är precis den typ av beräkning som kvantberäkning förväntas excellera i.

Så, även om den kanske inte ersätter kisel, kan kvantdatorer utföra uppgifter som tidigare var nästan omöjliga för kiselkretsar.

Du kan läsa mer om de senaste nyheterna inom kvantberäkning i vår artikel “Det aktuella läget för kvantberäkning”.

Biologiska organoider

Våra hjärnor är i princip superdatorer, åtminstone när det gäller processer som mönsterigenkänning, språk osv. Och de är mycket effektiva, med en förbrukning på bara några tiotals watt.

Ett schweiziskt startup, FinalSpark, har nu utvecklat en 0,5 mm stor sfär (organoid) bestående av 10 000 mänskliga neuroner. Och använder den för att utföra beräkning. Tjänsten kommer även att vara tillgänglig via molnet.

Detta är ett mycket nytt område, och det är ännu oklart hur långt det kommer att gå. Men vem vet, kanske kommer våra självkörande enheter en dag att drivas av neuroner istället för kretsar.

Topp 10 icke-siliconaktier

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledande kraften bakom kommersialiseringen av den första stordatorn. Företaget har dock hamnat på efterkälken i produktionsvolym jämfört med andra teknikjättar som Apple, TSMC och NVIDIA.

Det är dock i framkant när det gäller utvecklingen av kvantdatorer. Till exempel utvecklade de sin 127‑qubit‑dator ”Eagle”, som följdes av ett 433‑qubit‑system kallat ”Osprey”.

Och detta följs nu av ”Condor”, en 1 121‑superledande qubit‑kvantprocessor baserad på cross‑resonance‑gate‑teknik, tillsammans med ”Heron”, en kvantprocessor i teknikens absoluta framkant.

IBM är involverat i de flesta andra banbrytande innovationerna inom beräkning och halvledarindustrin. Dessa inkluderar ledande organiska material, neuromorfisk beräkning, fotonik, etc.

På ett sätt har IBM blivit ett ”patentföretag” med expertis i att utveckla nya beräkningsmetoder och licensiera dem till industrin.

Hittills verkar de mycket bestämda att hålla så många nyckelpatent som möjligt inom alla icke‑siliconbaserade beräkningsmetoder, vilket återger deras tidigare framgång när de bidrog massivt till att utveckla halvledarindustrin till den jätte den är idag.

2. Microsoft Corporation

Redan en ledare inom ”vanlig” molntjänst är Microsoft en pionjär i att erbjuda kvantmolntjänster med Azure Quantum.

Det är fullt möjligt att den största delen av framtida kvantberäkning kommer att ske ”på distans”, med hjälp av molntjänster som Microsofts, snarare än direkt åtkomst till en kvantdator.

Detta är särskilt sannolikt eftersom de flesta kvantberäkningsapplikationer kommer att forskas av biokemister, materialvetare, klimatforskare och andra specialister utan specifik bakgrund i kvantberäkning.

Så att förlita sig på dedikerade yrkespersoner på företag som IBM, Microsoft eller Google för att hantera beräkningsdelen är mer logiskt än att anställa eller utbilda personer utan kunskap inom området.

Microsofts tjänst erbjuder ”hybrid computing”, en blandning av kvantberäkning med traditionell molnbaserad superdatorservice.

Källa: Microsoft

Istället för vertikal integration har Microsofts strategi för kvantberäkning varit att etablera partnerskap med ledande aktörer inom området som täcker praktiskt taget alla teknologier som behövs för att uppnå kvantberäkning, såsom IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), och Rigetti (RGTI).

Källa: Microsoft

Microsoft har också etablerat i slutet av 2023 ett samarbete med Photonic, ett företag som arbetar med att förena kvantberäkning och fotonik.

Microsoft har också arbetat med analoga fotoniska kretsar för finanssektorn.

Kvantberäkning är inte centralt för Microsofts affärsverksamhet, åtminstone för närvarande. Det är dock en central aktör i sektorn och kan vara ett ”säkrare” aktieval jämfört med att direkt köpa aktier i deras kvantpartnerföretag som är börsnoterade, såsom QCI eller Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google är mycket aktivt inom kvantberäkning, främst genom sitt Google Quantum AI‑lab och Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantdator skrev historia 2019 när Google påstod sig ha uppnått ”kvantsuperioritet” med sin Sycamore‑maskin, som utförde en beräkning på 200 sekunder som skulle ha tagit en konventionell superdator 10 000 år.

Men kanske är Googles största bidrag inom mjukvara, ett område där de har en mycket bättre meritlista än hårdvara (sök, G‑Suite, Android, etc.). Googles Quantum AI gör redan en svit av mjukvara tillgänglig för att hjälpa forskare att utveckla kvantalgoritmer.

Google är också en aktiv stödjare av fotonikföretag som Lightmatter.

Google kommer sannolikt att bli ett av de företag som sätter standarderna för kvantprogramvara och -programmering, vilket ger dem en privilegierad plats att styra fältets framtida utveckling. Deras starka nätverk och riskkapitalverksamhet kommer också sannolikt att ge dem en position i alla andra icke‑siliconbaserade beräkningsformer.

4. Intel

Intel är en stor kretsproducent och verkar vilja utnyttja denna styrka i kvantberäkningsområdet.

De släppte nyligen ”Tunnel Falls”, den ”mest avancerade kisel‑spin‑qubit‑kretsen”. Det anmärkningsvärda är att den inte är ett prototyp utan en krets byggd i skala, med 95 % avkastning över hela wafer och spänningsuniformitet. Detta öppnar vägen för massproduktion av kvantkretsar, något som hittills har varit svårt i en ung och snabbt föränderlig industri.

Källa: Intel

Trots sina rötter utvecklar Intel också mjukvara för att utnyttja sina kretsar, med lanseringen av Intel Quantum SDK. Detta ger riktlinjer för programmerare att utveckla mjukvara för kvantberäkning kompatibel med Intels kvantkretsdesign, vilket historiskt har varit en stark och lönsam affärsmoat för Intels konventionella kretsverksamhet.

Källa: Intel

Ankomsten av skalbar kvantkretsproduktion kan bli lika revolutionerande för industrin som någon annan teknisk vetenskaplig genombrott, genom att sänka kostnader och sätta gemensamma programmeringsstandarder och kretsarkitekturer.

I slutet av 2023 beslutade Intel att avyttra sin fotonikverksamhet till Jabil (JBL).

Sammanfattningsvis gör Intel framsteg inom kvantberäkning och verkar ha en tydlig strategi att fokusera på detta område framför fotonik och andra alternativ.

5. Nvidia

Den ledande tillverkaren av grafikkort och, mer nyligen, kryptovalutamineringsriggar och AI‑kretsar har nu verkligen utvecklats från en PC‑komponenttillverkare till en av de globala teknikjättarna.

Nvidia är också aktivt inom kvantberäkning, med sin NVIDIA DGX Quantum som kombinerar vanliga kretsar och kvantberäkning via den nyöppnade CUDA‑kvantprogramvaruplattformen.

Källa: Nvidia

För att stärka sitt ledarskap inom AI har Nvidia också släppt sin QuantumX-800 för AI‑optimerat nätverk i datacenter.

När det gäller fotonik har Nvidia ingått ett partnerskap med TSMC och Broadcom.  Det kommer att skapa en enskild modul genom co‑packaged optics (CPO) som integrerar klassiska kiselkretsar och fotonik.

Sammanfattningsvis är Nvidias framgång starkt kopplad till den nuvarande AI‑boomen, och kvantberäkning samt fotonik kommer i andra hand. Dock kommer de att dra nytta av tillväxten i dessa sektorer och verkar hålla sig i tävlingen.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum är resultatet av sammanslagningen mellan Honeywell Quantum Solutions och Cambridge Quantum (och, som nämnts, en partner till Microsofts kvantmolntjänst).

Quantinuum verkar för närvarande fokusera på segment som är mindre utforskade av andra kvantsystem, särskilt finansiella och leveranskedje‑relaterade analyser, genom sin Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)‑motor, lanserad i september 2023.

QMCI tillämpas på problem som saknar analytisk lösning, såsom prissättning av finansiella derivat eller simulering av resultat från högenergifysikexperiment, och lovar beräkningsframsteg inom affärssektorn, energi, logistik och andra områden.

Precis som Microsoft är kvantberäkning inte den centrala delen av Honeywells verksamhet, som mer fokuserar på produkter inom flyg, automation samt specialkemikalier och material.

Men med tanke på att varje enskilt affärssegment kan dra nytta av kvantberäkning är det inte svårt att se affärsfallet för Honeywell att engagera sig.

Detta gör Honeywell både till en leverantör av kvantberäkningstjänster och till ett av de företag som kan gynnas av att tillämpa kvantdatorer på verkliga affärsfall, något som integrationen av Quantinuum i koncernen bör påskynda jämfört med industriella konkurrenter.

7. Synopsys

Alla fotoniska system måste integreras så sömlöst som möjligt med kiselbaserade system, åtminstone initialt. Synopsys kan hjälpa till med detta.

Företaget är specialist på kisel‑design och verifiering, vilket innebär att deras mjukvara används för att designa nya kretsar, inklusive ultra‑avancerade 5 nm‑kretsar och mindre.

Företaget erbjuder också mjukvara för fotonik som beskrivs som “branschens enda sömlösa designflöde för fotoniska enheter, system och integrerade kretsar”. Detta möjliggör hantering av design och simulering av nya fotoniska enheter.

Källa: Synopsis

Företaget har också utvecklat ett joint venture med Juniper Network för att skapa OpenLight, ett fotoniskt företag som använder indiumfosfid.

8. Juniper Network

Juniper påstår sig erbjuda den #1 molnbaserade trådlösa lösningen och det enda AI‑drivna Wi‑Fi‑nätverket. Detta placerar dem i direkt konkurrens med äldre och mer etablerade jättar som Cisco. Junipers teknik, Juniper Mist, påstås vara mer skalbar, flexibel och bättre på avvikelsedetektion än Ciscos motsvarande erbjudande.

Företagets lösningar är starkt beroende av AI, med deras AI‑motor ”Marvis” som används på alla nätverksnivåer, från användare till datacenter.

Källa: Juniper

När det gäller säkerhet visar Juniper också enastående resultat på brandväggar, hotförsvar och skydd mot exploateringar, och överträffar de flesta leverantörer som Fortinet, Palo Alto, Zscaler, etc.

Juniper erbjuder också Fotoniska integrerade kretsar (PIC), som för närvarande mestadels används för datatransmission och sensorer. De förväntas bli en integrerad del av framtida fotoniska datorer.

Källa: Synopsis

9. Rigetti Computing, Inc.

Rigetti är ett kvantberäkningsföretag, ”ägande av kritisk IP för vår banbrytande multi‑chip‑processor och den hybrid‑kvant‑klassiska approach som har blivit den dominerande kvantarkitekturen”.

Företaget integrerar alla steg som behövs för kvantberäkning, från kretsdesign och tillverkning upp till molnbaserad leverans av beräkningskraft.

Källa: Rigetti

Företaget fokuserar mindre på att lägga till så många qubitar som möjligt (som jättar som Intel gör) och mer på att förfina sin befintliga produkt och uppnå mycket hög noggrannhet och hastighet, vilket gör den till en mer pålitlig kommersiell produkt.

Den senaste iterationen, 84‑qubit‑Ankaa‑3, förväntas lanseras under andra halvan av 2024. Baserat på Ankaa‑konceptet siktar företaget på ett 336+‑qubit‑system på lång sikt.

Källa: Rigetti

I december 2023 påbörjade Rigetti försäljningen av 9‑qubit‑systemet Novera, en ”mini‑kvantdator” som säljs för ”endast” 900 000 $ med leveranstid 4‑6 veckor.

De första kunderna inkluderade Fermilabs SQMS‑center, Air Force Research Lab och Horizon Quantum Computing.

Företaget meddelade våren 2024 att de skulle gå med i Russell 3000‑indexet.

10. IPG Photonics

IPG är en laser­tillverkare som producerar praktiskt taget alla typer av laser, inklusive fiber, diode, UV‑ och djup‑UV‑laser. Med 6 200 anställda levererar de över 42 000 laser­enheter per år.

Deras specialitet är fiberlaser, med hög precision och förmågan att producera laserpulser så korta som en femtosekund (en kvadriljondel av en sekund).

IPG‑laser används för närvarande för:

• Avancerade vetenskapliga tillämpningar (spektroskopi, mikroskopi, interferometri, optisk fångst, etc.)
• Tillverkning av batterier och elmotorer för elbilar.
• Materialbearbetning, särskilt metallskärning, fräsning, rengöring och laser‑3D‑utskrift.
• Laser‑mikrobearbetning, där laser används för att skapa ultrasmå strukturer.

Medan framsteg inom fotoniska kretsar kommer att krävas för att skapa helt fotoniska datorer, vet vi redan att de kommer att integrera en mycket vanlig komponent – laser.

Ljuset för fotonisk beräkning måste baseras på ett mycket stabilt ljus som emitteras av lasern. Så ledare inom laserindustrin, som IPG, skulle gynnas av en boom i laser­efterfrågan från halvledarindustrin som successivt övergår till fotonik.

Och i det unga segmentet kan ultrakorta laserimpulser omvandlas till ultrafast beräkningskraft.