Pananatiling Kaayon sa Batas ni Moore gamit ang Aktibong Substrate at Neuromorphic Computing

Kailangan ng Mga Bagong Semiconductor

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.

Ang industriya ng semiconductor ay patuloy na lumago sa kahalagahan sa nakaraang ilang dekada, mula sa mga industriyal na mainframe computer hanggang sa naging mahalagang bahagi ng halos lahat ng makina at aparato ngayon.

Ang paglago na ito ay pinasigla ng patuloy na pagtaas ng komplikasyon at miniaturisasyon ng mga semiconductor. Gayunpaman, dahil sa mga pangunahing pisikal na katangian ng silicon, ang mga silicon-based na semiconductor ay nagsisimulang maabot ang ilang limitasyon.

Sa kabutihang palad, ang silicon ay hindi lamang materyal na nagpapakita ng mga katangian ng semiconductor, o ang kakayahang magpalit mula sa estado kung saan ito ay insulator (hindi nagpapadaloy ng kuryente) at konduktor (nagpapadaloy ng kuryente).

Ang bagong pananaliksik ay nagbubunyag ng mga bagong pananaw sa pangunahing pisika ng mga makabagong materyal na semiconductor tulad ng vanadium dioxide at ang dati’y hindi inaasahang mga katangian ng semiconductor ng titanium dioxide.

The pananaliksik 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.

Vanadium at Batas ni Moore

Ang dahilan kung bakit ang vanadium dioxide ay isang pangunahing kandidato para sa bagong teknolohiyang semiconductor ay ang kakayahan ng vanadium na magpalit sa pagitan ng metal — ang “1” na estado — at insulator — ang “0” na estado — sa loob lamang ng trilyong bahagi ng isang segundo.

Ito ay isang penomena na kilala bilang “pagdaan sa mga paglipat ng metal-insulator.” Ang bilis ng paglipat ng metal-insulator ay dapat magbigay-daan sa mas mabilis at mas maliliit na elektronik kumpara sa tradisyunal na silicon-based na elektronik.

Mahalaga ito kung nais nating makita ang industriya ng semiconductor na makasabay sa Batas ni Moore.

Binuo noong 1965, ang Batas ni Moore ay isang empirikal na batas na nagsasaad na ang industriya ng semiconductor ay dinadagdagan ang bilang ng mga transistor sa isang chip ng 100% tuwing dalawang taon. Ito ay nanatiling totoo sa loob ng mga dekada, ngunit ang mga pangunahing limitasyon ng mga silicon chip ay nangangahulugang kailangan na ng mga bagong uri ng materyales upang mapanatili ito.

Ang Batas ni Moore ay isang aplikasyon sa industriya ng semiconductor ng batas ni Wright noong 1936, na nagsasaad na ang gastos sa paggawa ay mababawasan ng hanggang 15% sa bawat dobleng pagtaas ng produksyon (unang binuo para sa industriya ng aeronautika).

Ang batas ni Wright ay higit na patakaran tungkol sa ekonomiya ng sukat at kahusayan ng industriya kapag pinapalawak ang produksyon. Samantala, ang batas ni Moore ay higit na tungkol sa inobasyon sa teknolohiya at pinapalakas ng pag-unlad sa pag-unawa sa pangunahing pisika at inhinyeriyang nasa sukat ng nanometer.

Mga Bagong Pananaw

Mga Advanced na Pamamaraan

Hanggang ngayon, ang vanadium dioxide ay sinusuri at sinusubaybayan lamang bilang isang hiwalay na bahagi. Bagaman kapaki-pakinabang, nilimitahan nito ang pag-unawa sa kung ano talaga ang mangyayari sa isang semiconductor na umaasa sa vanadium dioxide.

Sa kanilang publikasyon sa Advanced Materials (In-Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film-Substrate Elastodynamics During an Insulator-to-Metal Transition), nakagawa ang mga mananaliksik ng ilang mga bagong tuklas.

Gumamit sila ng X-ray diffraction microscopy upang obserbahan ang mga pagbabago nang real-time at may katumpakan sa antas ng atom.

At inilapat nila ang vanadium dioxide sa ibabaw ng substrate na titanium dioxide, tulad ng sa isang tunay na semiconductor chip, sa halip na pag-aralan ito nang hiwalay.

Pinagmulan: Advanced Materials

Ito ay isang napakalaking pagsisikap, kung saan ang pag-aaral mismo ay tumagal ng higit sa 10 taon at kinabibilangan ng maraming koponan ng pananaliksik at isang multi-disiplinaryong lapit.

“Sa pamamagitan ng pagsasama ng mga eksperto at pagsasama-sama ng aming pag-unawa sa problema, nagawa naming lampasan ang aming indibidwal na saklaw ng kadalubhasaan at makadiskubre ng isang bagong bagay.” – Roman Engel-Herbert, Direktor ng Paul Drude Institute of Solid State Electronics sa Berlin

Paggalaw ng Vanadium

Una nilang napansin na ang vanadium dioxide ay namumukadkad pataas kapag nagiging metal. Ito ay salungat sa mga teoretikal na prediksyon na nag-aakala na ito ay liliit.

Pinagmulan: Advanced Materials

Natuklasan nila na isang dating hindi inaasahang epekto mula sa mga nawawalang atom ng oxygen ang dahilan ng paglawak ng materyal.

“Ang mga neutral na bakas ng oxygen ay may dalang karga na dalawang electron, na maaari nilang pakawalan kapag ang materyal ay naglilipat mula sa insulator patungong metal. Ang bakas ng oxygen na naiwan ay ngayon may karga at lumalaki, na nagdudulot ng nakakagulat na paglawak na nakita sa aparato.” — Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

Hindi Inaasahang Aktibidad ng Substrate na Titanium

Isang halos doktrina sa paggawa ng semiconductor ay na tanging manipis na pelikula ng materyal ng semiconductor sa ibabaw ng substrate ang aktibo kapag pinapasok sa kuryente. Ang substrate mismo ay isang electrically at mechanically passive na materyal.

Sa pag-aaral na ito, natuklasan ng mga mananaliksik na hindi ito totoo para sa mga semiconductor na vanadium dioxide.

Sa halip, ang dating inakalang inert na titanium dioxide ay lumalawak din, mula sa parehong mekanismo na kinasasangkutan ng mga nawawalang atom ng oxygen.

Bukod pa rito, ang itaas na patong ng titanium dioxide ay kumilos tulad ng vanadium dioxide, na kumikilos din bilang isang semiconductor.

Ang bagong tuklas na ito ay magiging mahalaga sa pagbuo ng mga prototype ng komersyal na vanadium dioxide semiconductor.

Mga Aplikasyon

Mas Mabilis, Mas Mahusay na mga Semiconductor

Ang vanadium dioxide ay itinuturing na napakapromising na materyal upang dalhin ang teknolohiyang semiconductor sa susunod na antas, dahil sa ilang pangunahing katangian:

• Ang Insulator-To-Metal (IMT) ay nagaganap sa napakabilis na bilis na isang trilyong bahagi ng isang segundo, na nagbubukas ng daan para sa ultra-mabilis na kalkulasyon.
• Ang vanadium dioxide ay may malakas na correlated electronic effects. Sa simpleng salita, nangangahulugan ito na ang repulsyon sa pagitan ng mga electron ay hindi maaaring balewalain, tulad ng kasalukuyang ginagawa sa silicon-based na elektronik.
  • Ito, sa gayo’y, nagbubukas ng mga posibilidad para sa mga bagong functionality tulad ng high-temperature superconductivity at pinahusay na magnetic properties.

Neuromorphic Computing

Ang pagtuklas ng positibong feedback process dahil sa ionisasyon ng bakas mula sa mga nawawalang atom ng oxygen ay dapat magpababa pa ng oras ng IMT.

May napakahalagang kahihinatnan ito, dahil ginagawa nitong posibleng maging tamang materyal ang vanadium dioxide para sa isang bagong uri ng kalkulasyon na tinatawag na neuromorphic computing.

Ang neuromorphic computing ay isang pamamaraan kung saan ang mga sistema ng computer ay kumukuha ng inspirasyon mula sa mga utak ng mga buhay na sistema na may mga neuron.

Ito ay naiiba sa mga neural network na kasalukuyang ginagamit ng AI at LLMs na sinusubukang tularan ang mga neuron, ngunit nakabatay pa rin sa klasikong silicon transistor at karamihan ay software-based na machine learning.

Kaya, ang mga neuromorphic chip ay maaaring matuto sa antas ng hardware. At sa halip na binary output (0 at 1), maglalabas sila ng mga signal spikes.

Pinagmulan: Tech Target

Dahil sa napakabilis nitong Insulator-To-Metal transition, ang vanadium dioxide na may aktibong substrate na titanium dioxide ay maaaring magamit upang lumikha ng mga Mott neuron-like na spiking oscillator na kayang tularan sa antas ng hardware ang mga biological na neuron.

Pangkalahatang-ideya

Ang mga vanadium dioxide semiconductor, neuromorphic computing, at Mott neuron-like na spiking oscillator ay nasa pinakaborder ng agham ng materyales at disenyo ng semiconductor, marahil hindi bababa sa isang dekada bago maabot ang komersyal na pagiging kapaki-pakinabang.

Ang panahon ng dekadang ito ay eksaktong kung kailan dapat nating asahan na ang mga silicon-based na semiconductor ay magsisimulang mabigo sa pagpapanatili ng bisa ng Batas ni Moore.

Walang sinasabi ang Batas ni Moore na kailangang silicon-based ang mga semiconductor. Ito ay isang empirikal na obserbasyon na hangga’t may pangangailangan para sa mas makapangyarihang chip, patuloy na natututo ang mga mananaliksik ng higit pa tungkol sa pisika ng semiconductor sa mas maliit at mas maliit na sukat.

Sa pag-aakalang pinag-aaralan na natin ngayon ang vanadium at titanium dioxides, sa real-time at sa antas ng atom, tila makatwiran na asahan na mananatili ang Batas ni Moore at ang mga materyal tulad ng vanadium ay magiging susunod na hakbang sa disenyo ng semiconductor.

At siyempre, ang iba pang makabagong paraan ng pag-compute ay maaari ring makatulong na panatilihin ang Batas ni Moore sa tamang landas, tulad ng photonics o quantum computing.

Mga Advanced na Kumpanya ng Semiconductor

1. Intel

Ang Intel (INTC ) ay isang higante sa sektor ng semiconductor at nag-evolve sa paglipas ng mga taon mula sa isang tagapagtatag ng industriya hanggang sa isang lider sa siyensya at inobasyon, na nawalan ng top spot sa dami ng paggawa sa mga kumpanyang tulad ng Taiwan’s TSMC.

Ang Intel ay isang lider sa neuromorphic computing, kabilang ang pamamagitan ng kanilang Loihi 2 chip.

Pinagmulan: Intel

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

Pinagmulan: Intel

Ang Intel ay aktibo rin sa paggaya ng biological na pandama sa pamamagitan ng pag-uulit ng paraan kung paano gumagana ang ating utak (isang sangay ng neuromorphic computing), isang paksa na tinalakay pa namin 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 artikulo “The Current State of Quantum Computing ”).

2. IBM

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

Nagde-develop din ito ng SyNAPSE: Scalable energy-efficient neurosynaptic computing, na sinusuportahan ng Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), upang pagsamahin ang “nanoscience, neuroscience, at supercomputing upang gayahin at tularan ang kakayahan ng utak para sa sensasyon, persepsyon, aksyon, interaksyon, at kognisyon”.

Nasa unahan din ito ng pag-develop ng mga quantum computer. Halimbawa, nag-develop ito ng 127-qubit “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 kumpanyang pinakamalakas na nagtutulak para sa mga bagong anyo ng teknolohiyang computing, tulad ng quantum at neuromorphic computing, at malamang na makinabang mula sa mga pag-unlad sa pag-unawa sa pangunahing atomic physics ng mga materyales tulad ng vanadium dioxide.