Incipient Ferroelectricity – Ano ito, at Paano ito Maaaring Baguhin ang Computing?

Low Energy Transistors

Computing ay karamihan ginagawa ng mga silicon transistor. Sila ang mahalagang bahagi sa karamihan ng mga computer ngayon, ngunit kumokonsumo rin sila ng maraming enerhiya kapag ginagamit.

Isa pang uri ng semiconductor component ay FET: transistor na may field-effect. Ang ganitong uri ng transistor ay gumagamit ng electric field upang kontrolin ang kasalukuyang dumadaloy sa semiconductor at kumokonsumo ng mas kaunting kapangyarihan kumpara sa silicon transistor. Sa kasalukuyan, ang pinakaginagamit na field-effect transistor ay ang MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor).

Ang mga siyentipiko sa Penn State University at University of Minnesota ay nagsusuri ng isang dating hindi napansing katangian ng mga FET: incipient ferroelectricity.

Ang incipient ferroelectricity ay katangian ng pansamantalang, kalat‑kalat na polarization, na parang ang materyal ay may potensyal na maging ferroelectric, ngunit kailangan nito ng kaunting tulak.

Maaaring maging napaka‑kapaki‑pakinabang ito para sa neuromorphic computing, isang teknik na sinusubukang tularan ang paraan ng pag‑andar ng utak sa halip na gumamit ng tradisyonal na binary computing methods. Ang ganitong paraan ay maaaring mag‑imbak ng datos gamit ang mas kaunting enerhiya, pati na rin harapin ang matitinding kondisyon tulad ng kalawakan.

The researchers published their results in Nature Communication, titled “Multifunctional 2D FETs na gumagamit ng incipient ferroelectricity sa freestanding na SrTiO3 nanomembranes sa sub‑ambient na temperatura”¹.

Ano ang Incipient Ferroelectricity?

Ang ferroelectricity ay katangian ng ilang materyales na may kusang‑loob na electric polarization na maaaring baliktarin sa pamamagitan ng pag‑aaplay ng external electric field.

Kadalasang ginagamit ito para sa paggawa ng ferroelectric capacitors na mas maliit sa pisikal na sukat kumpara sa dielectric capacitors. Ito ay pisikal na katangian din na ginagamit sa paggawa ng ferroelectric RAM memory para sa mga computer at RFID cards.

Incipient ferroelectricity ay kapag ang ferroelectric na katangian ay nangyayari lamang sa tiyak na mga kondisyon: maaari itong maghawak ng karga elektrikal ngunit kailangan ng partikular na kondisyon upang makamit ang karga elektrikal.

“Ang incipient ferroelectricity ay nangangahulugang walang matatag na ferroelectric order sa room temperature. Sa halip, may maliliit, kalat‑kalat na cluster ng polar domains. Ito ay mas flexible na estruktura kumpara sa tradisyonal na ferroelectric materials.”

Dipanjan Sen – Doctoral candidate sa engineering science at mechanics

Karaniwan, itinuturing ang katangiang ito bilang limitasyon para sa isang materyal, hindi bilang kalamangan, dahil maaari itong magdulot ng maikling memory retention mula sa mga transistor na ito.
Ito ay hanggang natuklasan ng koponan ng mga mananaliksik na ang incipient ferroelectricity ay naging mas kaunti ang pagiging incipient at mas tradisyonal sa mas malamig na temperatura.

Paggamit ng Incipient Ferroelectricity

Ang mas flexible na katangian ng incipient ferroelectricity ay magiging problema para sa tradisyonal na mga pamamaraan ng computing. Ngunit ito ay maaaring gawing asset.

“Sa cryogenic na kondisyon, ang materyal na ito ay nagpakita ng tradisyonal na ferroelectric‑like na pag‑ugali na angkop para sa mga memory application. Ngunit sa room temperature, ang katangiang ito ay kumilos nang iba. Mayroon itong relaxor nature: isang mas magulo, short‑range polarization response.”

Saptarshi Das – Propesor ng Engineering sa Penn State.

Ang incipient ferroelectricity ay maaaring gamitin upang lumikha ng mga neuron‑like computing system, na tinatawag na neuromorphic computers.

Ang mga sistemang ito ay ginagaya kung paano pinoproseso ng utak ng tao ang impormasyon gamit ang mga neuron at gumagamit ng mas kaunting enerhiya kaysa sa tradisyonal na mga computer. Katulad ng ating utak, nag‑iipon ito ng enerhiya sa pamamagitan lamang ng paggamit ng kapangyarihan kapag kailangan, tulad ng pag‑on at pag‑off ng ilaw, sa halip na manatiling bukas palagi tulad ng tradisyonal na mga computer.

Upang magamit ito sa kapaki‑pakinabang na mga aplikasyon, kinakailangang gumawa ng mga FET na may pinahusay na incipient ferroelectric na pag‑ugali.

Incipient Ferroelectric FETs

Strontium Titanate

Ito ang gawain ng mga mananaliksik mula sa University of Minnesota, na nag‑develop ng mga FET sa pamamagitan ng pag‑deposito ng isang patong ng mga atom sa substrate upang makabuo ng manipis na pelikula. Ang mga pelikulang ito, na gawa sa strontium titanate (STO), ay pinagsama pagkatapos sa molybdenum disulfide, isang two‑dimensional na materyal.

Pinagmulan: Nature Communication

Karaniwan, ang strontium titanate ay non‑ferroelectric, na nangangahulugang wala itong permanenteng electric field.

Ngunit sa napakababang temperatura, ito ay nagpapakita ng ferroelectric‑like na pag‑ugali. Ang manipis na pelikula ng strontium titanate ay isa ring perovskite na materyal.

“Nabigla kami na makita na ang mga kilalang perovskite na materyal na ito ay maaaring magpakita ng exotic ferroelectric properties sa antas ng device.

Hindi ito inaasahan namin, ngunit nang magsimula kaming mag‑fabricate ng mga device, nakita naming may mga pag‑ugali na maaaring talagang baguhin ang advanced electronics.”

Ang perovskite na materyal ay may tiyak na uri ng crystal structure, na ginagamit upang gumawa ng solar panels, ngunit maaaring maging susi rin sa pag‑develop ng photonics computing.

FETs

Gamit ang manipis na pelikula ng strontium titanate, nagbuo ang mga mananaliksik ng tatlong artipisyal na neuron at ginamit ang mga ito upang magsagawa ng classification task gamit ang grid ng tatlong‑by‑tatlong pixel na mga imahe, bilang proof‑of‑concept.

Pinagmulan: Nature Communication

Ang mga device ay nagawang i‑classify ang bawat imahe sa iba’t ibang kategorya. Ang learning method na ito ay maaaring magamit sa kalaunan para sa image identification at classification o pattern recognition. Mahalaga, ito ay gumagana sa room temperature, na nagbabawas ng gastos sa enerhiya.

Mayukh Das – Doctoral candidate sa engineering science at mechanics

Ang mga FET‑based na artipisyal na neuron, gamit ang incipient ferroelectricity, ay maaaring lumikha ng isang mababang‑gastos, epektibong computing system na gumagamit ng napakakaunting enerhiya.

Ito ay sumasama sa iba pang bagong aplikasyon ng mga FET para sa advanced computing systems, partikular ang Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) para sa mga next‑gen na communication devices.

Mga Hinaharap na Aplikasyon

Sa ngayon, ito ay isang lubos na experimental na device, na nag‑explore ng mga posibilidad ng bagong aplikasyon para sa incipient ferroelectricity.

Malamang na ito ay magkakaroon ng pinakamahalagang aplikasyon sa AI applications, dahil ang mga LLM at iba pang AI system ay nangangailangan ng napakalaking memorya upang i‑imbak ang lahat ng kinakailangang datos, na napaka‑energy‑intensive.

Ang mga pagbuti sa neural network architecture at software, tulad ng DeepSeek, ay makakatulong. Sa huli, isang bagong uri ng hardware na mas angkop sa mga pangangailangan ng AI ang kakailanganin upang pigilan ang AI industry na maging isa sa pinakamalalaking consumer ng enerhiya sa mundo.

“Ang pagpapahusay ng mga materyal na ito at ang pag‑integrate nito sa pang‑araw‑araw na mga device tulad ng smartphones o laptops ay aabutin ng panahon, kaya marami pang dapat tuklasin.

Dagdag pa, sinusuri namin ang iba pang mga materyal, tulad ng barium titanate, upang matuklasan ang kanilang potensyal. Ang mga pagkakataon para sa paglago ay napakalaki, kapwa sa mga materyales at aplikasyon ng mga device.

Dipanjan Sen – Doctoral candidate sa engineering science at mechanics

Mga Kumpanya sa Neuromorphic Computing

1. Intel

Ang Intel (INTC ) ay isang higante sa sektor ng semiconductor at nag‑evolve sa paglipas ng mga taon mula sa pagiging tagapagtatag ng industriya hanggang sa pagiging lider sa siyensya at inobasyon, na nawala ang top spot sa manufacturing volume sa mga kumpanya tulad ng TSMC ng Taiwan.

Ang Intel ay isang lider sa neuromorphic computing, bahagyang dahil ang Loihi 2 chip nito.

Pinagmulan: Intel

Nilikha rin nito ang Intel Neuromorphic Research Community, na kinabibilangan ng Pennsylvania State University, kasali sa kamakailang pananaliksik sa vanadium dioxide, pati na rin ng 75+ na iba pang research groups.

Pinagmulan: Intel

Ang Intel ay aktibo rin sa pag‑mimic ng biological sense sa pamamagitan ng pag‑replicate ng paraan ng pag‑andar ng ating utak (isang sangay ng neuromorphic computing), isang bagay na tinalakay pa namin nang mas detalyado sa aming artikulo “Biomimetic Olfactory Chips: Are Artificial Intelligence and E‑Noses the Next Canary in a Coal Mine?”.

Sa pangkalahatan, ang pananaliksik mula sa Intel Lab ay nasa unahan ng inobasyon sa semiconductor, kabilang ang AI, quantum computing, neuromorphic computing, atbp.

Tinalakay namin ang mga pag‑unlad ng Intel sa quantum computing sa aming mga artikulo “The Current State of Quantum Computing ” at noong Setyembre 2024 “Stock Of The Week: Intel (INTC)”.

2. IBM

Isa pang makasaysayang pioneer sa computing, semiconductors, at disenyo ng chip, International Business Machines Corporation (IBM) ay nagsusuri rin ng neuromorphic computing (IBM ).

Ito ay nagde‑develop ng SyNAPSE: Scalable energy‑efficient neuro synaptic computing, suportado ng Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), upang pagsamahin ang “nanoscience, neuroscience, at supercomputing upang i‑simulate at i‑emulate ang kakayahan ng utak para sa sensasyon, persepsyon, aksyon, interaksyon at kognisyon”.

Isa rin itong nangunguna sa pag‑develop ng mga quantum computer. Halimbawa, nag‑develop ito ng 127‑qubit na “Eagle” quantum computer, na sinundan ng 433‑qubit system na kilala bilang “Osprey” at ang 1,121 superconducting qubit quantum processor na ‘Condor’.

Pinagmulan: All About Circuits

Kasama ang Intel, ang IBM ay isa sa mga kumpanya na pinakamalakas na nagtutulak para sa mga bagong anyo ng teknolohiyang computing, tulad ng quantum at neuromorphic computing. Malamang na makikinabang ito mula sa pag‑unlad sa mas mahusay na pag‑unawa sa mga materyales na ginagamit sa neuromorphic transistors.

Mga Sanggunian:

^{1. Sen, D., Ravichandran, H., Das, M. et al. Multifunctional 2D FETs na gumagamit ng incipient ferroelectricity sa freestanding na SrTiO3 nanomembranes sa sub‑ambient na temperatura. Nat Commun 15, 10739 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54231-z}