Nanoteknolohiya na Itinutulak ang Hangganan ng Pagkokompyut sa Bilis at Kahusayan

Ang mga advanced na teknolohiya sa pagkokompyut ay nagkakaroon ng malaking pag-unlad patungo sa pagkamit ng mataas na bilis at mababang konsumo ng enerhiya.

Kabilang sa mga pangunahing pag-unlad sa larangang ito ang mga bagong arkitektura ng silicon na gumagamit ng mga layered na disenyo upang makagawa ng mas mabilis at mas maliliit na chip sa mas mababang gastos. Samantala, photonic computing ay gumagamit ng mga alon ng liwanag upang iproseso at iimbak ang data. Dahil ang bilis ng liwanag ay hindi matatalo, ito ay maaaring magbigay ng mataas na bilis at mababang latency.

Mayroon din ang biological computing, kung saan ang impormasyon ay naka-encode at iniimbak sa mga selulang biyolohikal, na pinapabilis ng mga pag-unlad sa nanobiotechnology. Ang quantum computing ay nag-aalok din ng malaking potensyal, na naglutas ng komplikadong mga problema nang mas mabilis kaysa sa mga kasalukuyang computer sa pamamagitan ng paggamit ng quantum superposition, entanglement, at interference.

Bukod pa rito, ang neuromorphic computing ay ginagaya ang mga neural system ng ating utak upang magsagawa ng parallel na kalkulasyon; ang cloud computing ay naglilipat ng pagproseso sa mga remote o virtual na lokasyon; at ang edge computing ay naglilipat ng pagproseso mula sa mga sentralisadong pasilidad papalapit sa mga end user.

Ang lahat ng mga pag-unlad na ito sa teknolohiya ng pagkokompyut, na nakatuon sa mga kasangkapan at sistema para sa pagproseso, pag-iimbak, at pakikipag-ugnayan ng data, ay nagdulot ng hindi pa nagagawang mga pag-unlad sa mga larangan tulad ng artificial intelligence (AI) at data analytics.

Ang patuloy na pananaliksik sa larangang ito ay nagdulot ng patuloy at mabilis na inobasyon sa mga teknik sa pagkokompyut, kung saan ang mga siyentipiko ay lalong sumisid upang makamit ang mas maganda, mas mabilis, at mas epektibong mga resulta.

Pagsulong sa Laser Nanoscale Fabrication sa Silicon

Kamakailan, nakamit ng mga mananaliksik mula sa Bilkent University, Turkey, ang isang mahalagang pagsulong sa pamamagitan ng pagbuo ng isang teknik para sa paggawa ng mga nanostruktura sa loob ng silicon wafers. 

Ang bagong pamamaraan ay nagbibigay-daan sa nanofabrication sa loob ng silicon gamit ang spatial light modulation at mga laser pulse, na lumilikha ng mga advanced na nanostruktura na makikinabang sa electronics at photonics.

Ang pag-aaral ay nakatuon sa silicon, ang pundasyon ng electronics, photonics, at photovoltaics. Bilang isang semiconductor, ang electrical conductivity ng Silicon ay nasa pagitan ng isang insulator at isang purong konduktor. Ito ay ang ikalawang pinaka-abundant na elemento sa crust ng Earth, na may parehong katangiang metalik at hindi metalik. Bukod pa rito, ang mahusay na electrical properties ng Silicon, kabilang ang medyo maliit nitong energy gap, ay ginagawa itong mahalagang materyal sa industriya ng semiconductor.

Gayunpaman, ang silicone ay limitado lamang sa surface-level na nanofabrication dahil sa mga kahirapan na dulot ng kasalukuyang mga teknik sa lithography. Ang mga kasalukuyang pamamaraan ay alinman ay hindi kayang tumagos sa ibabaw ng wafer nang hindi nagdudulot ng anumang pagbabago o limitado ng resolusyon ng laser lithography. Dagdag pa, ang mga umiiral na teknik ay hindi nagbibigay-daan para sa high-precision na modulation sa loob ng wafer. 

Kung ang mga device ay maaaring direktang gawin sa loob ng bulk ng metal na ito nang hindi binabago ang itaas o ibabang ibabaw ng wafer, magtatakda ito ng bagong pamantayan.

Siyempre, nangangahulugan ito ng paglagpas sa lahat ng hamong ito ng limitasyon sa resolusyon ng fabrication na higit sa 1-mikron habang sabay na nakakamit ang multi-dimensional nanoscale control sa loob ng wafer. Ang paggawa nito, gayunpaman, ay magiging isang kamangha-manghang pag-unlad, na magpapahintulot sa 3D nanophotonics na magkaroon ng mga bagong functionality at magdadala ng metasurfaces sa loob ng Si. 

Ang pinakabagong pananaliksik ay nagamit ang spatially modulated laser beams at anisotropic feedback mula sa mga preformed subsurface structures upang makamit ito. Pinayagan nito ang koponan na magtatag ng kontroladong kakayahan sa nanofabrication sa loob ng Si sa pamamagitan ng pagmamanipula ng materyal sa nanoscale. 

Upang higit na ipaliwanag, hinarap ng koponan ng Bilkent ang hamon ng kumplikadong optical effects sa loob ng wafer at ang likas na diffraction limit ng laser light sa pamamagitan ng paggamit ng natatanging laser pulse, na nilikha sa pamamagitan ng pag-modulate ng spatial. Ang spatially modulated laser pulses ay tumutugma sa isang Bessel function. 

Ang mga optical scattering effects, na humahadlang sa tumpak na pagdeposito ng enerhiya, ay nalampasan ng espesyal na laser beam na may non-diffracting na katangian. Ang non-diffracting na katangiang ito ay nilikha gamit ang advanced holographic projection techniques, na nagbibigay-daan sa tumpak na lokalisasyon ng enerhiya. Nagdudulot ito ng sapat na pressure at temperatura upang baguhin ang materyal sa maliit na volume. 

Ayon kay Onur Tokel, Propesor sa Department of Physics:

“Ang aming pamamaraan ay nakabatay sa paglokalisa ng enerhiya ng laser pulse sa loob ng isang semiconductor material sa isang napakaliit na volume, upang magamit ang mga lumilitaw na field enhancement effects na kahalintulad ng sa plasmonics. Nagdudulot ito ng sub-wavelength at multi-dimensional na kontrol direkta sa loob ng materyal.”

Dagdag pa niya:

“Maaari na naming gawin ang mga nanophotonic element na nakabaon sa silicon, tulad ng mga nanogratings na may mataas na diffraction efficiency at kahit kontrol sa spectrum.”

Sinundan ito ng isang emergent seeding effect, kung saan ang mga nano-voids na ginawa sa subsurface ay lumikha ng malakas na field enhancement sa kanilang malapit na paligid. Kapag naitatag, ang nagreresultang field enhancement ay nagpapatuloy sa sarili nito, na nangangahulugang ang paglikha ng mga naunang nanostruktura ay tumutulong sa paggawa ng mga susunod na nanostruktura. 

Samantala, ang paggamit ng laser polarization ay nagbigay sa mga mananaliksik ng karagdagang kontrol sa alignment at symmetry ng mga nanostruktura sa nanoscale, na nagpapahintulot sa tumpak na pagbuo ng iba’t ibang nano-arrays.

“Sa pamamagitan ng pag-leverage sa anisotropic feedback mechanism na matatagpuan sa laser-material interaction system, nakamit namin ang polarization-controlled nanolithography sa silicon.”

– Ang pangunahing may-akda ng pag-aaral, Dr. Asgari Sabet 

Ang bagong metodong ito ng fabrication ay nakamit ang mga sukat ng tampok na kasing liit ng 100 nm, na isang malaking pagbuti kumpara sa mga tradisyunal na rehimen. 

Ang pag-aaral na ito ay maaaring magkaroon ng malaking implikasyon para sa mga sistema sa nanoscale na may tiyak na mga istruktura sa pamamagitan ng pagpapakita ng large-area volumetric nanostructuring na may multi-dimensional control at mga tampok na lampas sa diffraction limit. Ayon sa mga mananaliksik, ang mga posibleng hinaharap na pag-unlad mula sa pag-aaral na ito ay maaaring kabilang ang metamaterials, metasurfaces, mga aplikasyon sa information processing, at photonic crystals.

Ipinapakita rin ng pananaliksik ang malaking potensyal para sa integrasyon sa mga on-chip system, kung saan ang ipinakilalang kakayahan sa nanograting ay isang hakbang patungo sa layuning ito. Binanggit ng pag-aaral na ito rin ay ang unang multi-layer Si photonics.

Sa pangkalahatan, ipinakilala ng pag-aaral ang “isang bagong paradigma ng fabrication para sa silicon. Ang kakayahang mag-fabricate sa nano-scale direkta sa loob ng silicon ay nagbubukas ng isang bagong rehimen patungo sa karagdagang integrasyon at advanced photonics,” sabi ni Prop. Tokel. Ang susunod na hakbang para sa pag-aaral ay siyasatin kung maaaring makamit ang kumpletong 3D nano-fabrication sa Si.

I-click dito upang malaman kung paano makakatulong ang advanced nanophotonics sa pagbuo ng mas mahusay na smartphone.

Nanomaterials na Nagbubukas ng Daan para sa Susunod na Henerasyon ng Pagkokompyut

Tulad ng nakita natin kanina, ang mga mananaliksik ay nagtatarget ng nanostructure para sa mas magagandang resulta. Ang nanotechnology ay tungkol sa pagkontrol ng materyal sa nanoscale, na sumasaklaw mula 1 hanggang 100 nanometer ang laki. 

Sa ganitong napakaliit na sukat, nakikita natin ang mga natatanging katangian at pag-uugali ng mga materyales, na nagbibigay-daan sa mga mananaliksik at inhinyero na manipulahin ang mga ito para sa iba’t ibang aplikasyon. Bilang resulta, ang nanotechnology ay may malawak na implikasyon sa maraming industriya, kabilang ang enerhiya, electronics, medisina, at agham ng materyales.

Sa malaking potensyal na tugunan ang ilan sa mga pinakamahalagang hamon ng mundo, ang nanotechnology ay mabilis na umuunlad sa patuloy na mga pag-unlad at breakthrough, lalo na sa pagkokompyut at electronics. Ang nanotechnology ay talagang nag-ambag nang malaki sa mga pangunahing pag-unlad sa mga sektor na ito, na nagdala ng mas mabilis, mas maliit, at mas portable na mga sistema.

Halimbawa, ang mga nanomaterial tulad ng graphene at carbon nanotubes ay nagpakita ng pangako sa paglikha ng flexible at transparent na electronics.

Ang mga nanostructures ay nagbago sa mga larangan ng semiconductors at pagkokompyut sa pamamagitan ng pagpapabuti ng electrical, optical, at magnetic properties ng mga materyales higit sa kanilang bulk na katapat.

Sa kontekstong ito, may pag-unlad sa quantum computing at komunikasyon gamit ang nanoscale quantum bits. Dagdag pa, nagpapatuloy ang pananaliksik sa pag-develop ng mga nanomaterial para sa high-capacity, fast-charging na mga baterya at supercapacitors. Samantala, ang mga pag-unlad sa nanoscale fabrication techniques ay nagbibigay-daan sa paglikha ng mga miniaturized na device at component na may malakas na performance.

Sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa pag-develop ng mas maliit at mas epektibong mga device tulad ng nanoscale transistors at memory chips, ang nanotechnology ay lubos na nagtaas ng kapangyarihan ng pagkokompyut at kapasidad ng imbakan, itinutulak ang mga hangganan ng Moore’s Law.

Ang Moore’s Law na binanggit dito ay binuo ng Intel (INTC ) co-founder na si Gordon Moore, na nagpanukala na ang bilang ng mga transistor sa isang chip ay dodoble bawat halos dalawang taon, na may kaunting pagtaas sa gastos.

Kung susuriin natin ito, noong 1950s nagsimulang palitan ng mga transistor ang mga vacuum tube bilang pangunahing bahagi ng mga electronic circuit. Habang ang mga unang transistor ay karaniwang isang sentimetro ang haba, agad itong nasukat sa milimetro.

Paglipas ng panahon hanggang sa simula ng siglo, ang sukat ay nabawasan sa pagitan ng 130 hanggang 250 nanometer, at muling nabawasan sa 14 nanometer mga isang dekada na ang nakalipas. Pagkatapos, noong 2015, ang IBM ay hinati ang sukat na ito sa pamamagitan ng paglikha ng unang seven-nanometer transistor. Ang paglalakbay patungo sa mas maliit ngunit mas maganda at mas mabilis na mga transistor ay nagpapatuloy hanggang ngayon.

Sa mga nakaraang taon, ang pinakamaliit na sukat ng transistor sa produksyon ay nabawasan sa 3 nm, na may anunsyo ng IBM ng 2 nm transistor noong Mayo 2021, na mas maliit kaysa sa isang hibla ng DNA. Nakatuon kami sa mga transistor dahil sila ang pundasyon ng pagpapagana sa halos lahat ng electronic device.

Kagiliw-giliw, habang mas maliit ang mga transistor, mas kaunti ang enerhiyang kinukunsumo nila at mas mabilis silang gumagana. Gayunpaman, maraming naniniwala na maaari lamang gawing mas maliit ang isang bagay sa limitadong panahon, at sa kalaunan, hindi na natin magagawang magpatuloy sa pag-alis. Doon papasok ang pangangailangan ng mga bagong nanomaterial at advanced na teknolohiya upang mapabuti ang ating mga device.

Ito ay nagdala sa mga siyentipiko na ilipat ang kanilang pokus sa mga teknolohiya tulad ng neuromorphic systems, na nangangailangan ng pag-develop ng mga bagong artificial neuron at synapse na maaaring higitan ang performance ng karaniwang CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) circuits.

Sa pamamagitan ng paggamit ng mga artificial neuron at synapse, ang mga computer na ito ay ginagaya kung paano nagpoproseso ng impormasyon ang utak ng tao. Pinapayagan nito silang makilala ang mga pattern, lutasin ang mga problema, at gumawa ng mga desisyon nang mas epektibo at mas mabilis kaysa sa kasalukuyang mga computer. Bagaman bago pa lamang ang larangang ito, nagpapakita ito ng pangako sa cognitive computing, autonomous vehicles, at AI, kung saan mahalaga ang bilis at kahusayan.

Ang mga mananaliksik ay nagsusuri rin ng mga bagong klase ng materyales, tulad ng quantum dots at graphene, upang matugunan ang pangangailangan ng advanced na pagkokompyut. Kamakailang mga pag-aaral ay nag-explore ng Quantum Dot Cellular Automata (QCA) upang magdisenyo ng nano-scale na mga computer na may pagbuti sa parehong bilis at kahusayan.

Bukod sa graphene, ang mga 2D material tulad ng transition metal dichalcogenides (2D-TMDs) ay isinasaalang-alang para sa paggamit sa mga semiconductor. Ang malawak na surface area ng materyal na ito ay nagbibigay-daan sa epektibong pakikipag-ugnayan sa liwanag at nagpapahusay sa paggamit nito para sa pagmamanipula ng liwanag, habang ang kakaibang charge carrier mobility nito ay nagpapataas ng performance ng device. Ang tibay nito ay ginagawang matibay para sa iba’t ibang aplikasyon sa totoong mundo.

Tulad ng nabanggit kanina, ang pinakabagong pananaliksik na nakakamit ang nanofabrication sa loob ng silicon ay naglalayong payagan ang susunod na henerasyon ng silicon-based na mga chip na may mas malaking kapangyarihan sa pagproseso.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang kumpanya na nagtatrabaho upang isulong ang larangan ng nanotechnology.

Mga Kumpanya na Nagtatrabaho sa Advanced Computing Tech

Kung isasaalang-alang natin ang mga kumpanya na kasangkot sa larangang ito, ang Applied Materials (AMAT ) (AMAT) ay nagbibigay ng teknolohiya sa nanomanufacturing para sa advanced na mga semiconductor. Ang Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD) ay nagde-develop ng high-performance computing hardware at nagsusuri ng mga advanced computing technologies.

Ang NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), kilala sa mga GPU nito, ay malaki ring namumuhunan sa pananaliksik sa quantum computing. Ang mga Nvidia supercomputer ay ginagamit upang bumuo ng quantum annealing systems para lutasin ang mga tiyak na problema. Ang NVIDIA, na madalas tawaging ‘AI darling,’ ay nakita ang pagtaas ng kanyang mga shares ng 157% ngayong taon (YTD).

Naitala ng kumpanya ang rekord na benta na $26 bilyon sa 1Q24, tumaas ng 18% mula sa nakaraang quarter at 262% mula isang taon ang nakalipas. Inanunsyo rin ng korporasyon ang ten-for-one stock split noong Hunyo 7, 2024, at itinaas ang quarterly cash dividend nito sa $0.01.

Tingnan na natin ngayon ang mga kumpanya na nangunguna sa pananaliksik sa advanced computing, nanotechnology, at mga inobasyon sa disenyo ng chip.

#1. IBM

Ang International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ay isang kilalang tech company na kasangkot sa mga oportunidad sa cloud at AI. Ang pokus nito ay sa pananaliksik ng quantum computing at pagpapalawak ng teknolohiya ng semiconductor.

Sa nakaraang taon, ipinakilala ng kumpanya ang pinakabagong henerasyon ng quantum processor nito, ang IBM Heron, na may 133 fixed-frequency qubits at tatlo hanggang limang beses na pagbuti sa performance ng device.

Ayon kay Jay Gambetta, VP sa IBM Quantum:

“Ang buong kapangyarihan ng paggamit ng quantum computing ay susuportahan ng generative AI upang pasimplehin ang karanasan ng developer.”

Ang kumpanya ay may market cap na $180.57 bilyon, at ang mga shares nito ay nagte-trade sa $195.51, tumaas ng 19.86% YTD. Ang dividend yield nito ay 3.41%. Para sa 2Q24, iniulat ng IBM ang kita na $15.8 bilyon, tumaas ng 2% mula sa nakaraang taon.

Samantala, ang free cash flow ay $2.6 bilyon, na itinaas ng kumpanya sa $12 bilyon para sa buong taon, na may $1.5 bilyon na ibinalik sa mga shareholders bilang dividend sa panahong iyon. Natapos ng kumpanya ang quarter na may $16 bilyon sa cash, restricted cash, at marketable securities. Habang binibigyang-diin ang kadalubhasaan ng IBM sa enterprise AI at ang paglago ng kanilang generative AI business na umabot sa higit $2 bilyon mula nang ilunsad ang Watsonx isang taon na ang nakalipas, sinabi ng IBM CEO na si Arvind Krishna:

“Nagkaroon kami ng malakas na ikalawang quarter, na lumagpas sa aming mga inaasahan.”

#2. Intel Corporation

Ang Intel Corporation (INTC) ay nag-iinnovate ng mga disenyo ng chip at nagsusuri ng neuromorphic at quantum computing. Ang semiconductor chip maker na ito ang lumikha ng x86 series ng mga microprocessor, na matatagpuan sa karamihan ng personal computers. Sa kasalukuyan, ang kumpanya ay nagtatrabaho upang maibalik ang kanyang kalamangan sa global chipmaking, kung saan nakatanggap ito ng pondo sa pamamagitan ng mga grant at loan mula sa pamahalaan ng US.

Sa pamamagitan ng neuromorphic research, layunin ng Intel na pabilisin ang hinaharap ng adaptive AI sa pamamagitan ng co-design ng optimized hardware kasama ang next-generation AI software. Dagdag pa, itinatag ng Intel ang Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Ang pandaigdigang collaborative effort na ito ay nagbubuklod ng mga koponan mula sa mga research institution, academic group, kumpanya, at mga government lab upang itaguyod ang hangganan ng brain-inspired AI.

Ang kumpanya ay may market cap na $89.56 bilyon, at ang mga shares nito ay nagte-trade sa $21.06, bumaba ng 58.23% YTD. Para sa 2Q24, iniulat ng Intel ang “disappointing” na financial results, na may revenue na $12.8 bilyon, bumaba ng 1% YoY, habang ang non-GAAP EPS ay $0.02. Inanunsyo ng kumpanya ang suspensyon ng dividend simula sa ika-apat na quarter ng 2024 habang inuulit ang “long-term commitment to a competitive dividend as cash flows improve to sustainably higher levels.”

Konklusyon

Ang advanced computing, na nakatuon sa mga bagong pamamaraan at teknolohiya na nagdadala ng inobatibong paraan ng pagkokompyut, ay nakakaakit ng malaking interes mula sa mga kumpanya, mananaliksik, inhinyero, at gobyerno. Sa huli, ito ay pundamental sa cybersecurity, mga pamilihan sa pananalapi, at marami pang iba pang kritikal na imprastruktura. Higit pa rito, ang malawak na paggamit ng AI ay sinusuportahan ng advanced computing power, kasama ang data, algorithms, at microchips.

Sa nakalipas na ilang dekada, ang mga pag-unlad sa teknolohiya ng pagkokompyut ay lubos na nagpaangat sa performance at functionality ng mga device na regular nating ginagamit, na nagpasigla sa paglago ng digital economy. Dahil sa malalim nitong epekto sa lipunan, ang patuloy na pananaliksik at pag-unlad ay kinakailangan upang matugunan ang pangangailangan ng power-hungry na computation at magbukas ng daan para sa advanced computing, na nagbibigay-daan sa paglikha ng mga produkto at serbisyo na dati ay hindi maisip.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang pinakamahusay na nanotechnology stocks.