Nanoteknoloji, Hız ve Verimlilikle Bilgisayarın Sınırlarını Zorluyor

Gelişmiş bilgisayar teknolojileri, yüksek hız ve düşük enerji tüketimini başarmaya doğru büyük ilerlemeler kaydediyor.

Bu alandaki temel gelişmeler, daha hızlı ve daha küçük çipleri daha düşük maliyetle inşa etmek için katmanlı tasarımlar kullanan yeni silikon mimarilerini içeriyor. Bu arada, fotonic bilişim ışık dalgalarını veri işlemek ve depolamak için kullanıyor. Işığın hızı aşılmaz olduğu için, bu yüksek hız ve düşük gecikme sunabilir.

Daha sonra, biyolojik bilişim var; burada bilgi biyolojik hücrelerde kodlanıp depolanıyor ve nanobiyoteknolojideki ilerlemelerle destekleniyor. Kuantum bilişim de önemli bir potansiyel sunuyor; kuantum süperpozisyonu, dolanıklığı ve girişimi kullanarak günümüz bilgisayarlarından daha hızlı karmaşık problemleri çözüyor.

Ayrıca, nöromorfik bilişim beyin sinir sistemlerini taklit ederek paralel hesaplamalar yapar; bulut bilişim işlemeyi uzak veya sanal konumlara taşır; kenar bilişim ise işlemeyi merkezi tesislerden son kullanıcılara daha yakın noktalara kaydırır.

Veri işleme, depolama ve iletişim için araç ve sistemlere odaklanan bu tüm bilgisayar teknolojisi gelişmeleri, yapay zeka (AI) ve veri analitiği gibi alanlarda benzeri görülmemiş ilerlemelere yol açtı.

Alandaki devam eden araştırmalar, bilgisayar tekniklerinde sürekli ve hızlı yeniliklere yol açtı; bilim insanları artık daha iyi, daha hızlı ve daha verimli sonuçlar elde etmek için daha da derinleştiriyor.

Silikonda Lazer Nanoskobik Üretimde Çığır Açan Gelişme

Türkiye’deki Bilkent Üniversitesi araştırmacıları, çığır açarak silikon wafer’ların derinliklerinde nanoyapılar üretmek için bir teknik geliştirdi.

Yeni yöntem, uzamsal ışık modülasyonu ve lazer darbeleriyle silikon içinde nanoyapım yapmayı mümkün kılıyor ve elektronik ve fotoniği faydalı olacak gelişmiş nanoyapılar oluşturuyor.

Çalışma, elektronik, fotonik ve fotovoltaiklerin temeli olan silikona odaklandı. Bir yarı iletken olarak, Silikonun elektriksel iletkenliği bir yalıtkan ile saf bir iletken arasındadır. Dünya kabuğunda ikinci en bol elementtir ve hem metalik hem de metalik olmayan özelliklere sahiptir. Ayrıca, Silikonun nispeten küçük enerji boşluğu dahil mükemmel elektriksel özellikleri, onu yarı iletken endüstrisinde önemli bir malzeme yapar.

Ancak, silikon, mevcut litografi tekniklerinin getirdiği zorluklar nedeniyle yüzey seviyesinde nanoyapı ile sınırlı kalmıştır. Güncel yöntemler ya wafer yüzeyine zarar vermeden nüfuz edememekte ya da lazer litografisinin çözünürlüğüyle sınırlı kalmaktadır. Ayrıca, mevcut teknikler wafer’ın derinliklerinde yüksek hassasiyetli modülasyona izin vermemektedir.

Eğer cihazlar, wafer’ın üst veya alt yüzeyini değiştirmeden bu metalin kütlesi içinde doğrudan üretilebilseydi, bu yeni bir standart olurdu.

Elbette, bu, 1 mikronun üzerindeki üretim çözünürlük sınırının tüm zorluklarını aşarken wafer içinde çok boyutlu nanoskobik kontrol elde etmek anlamına gelir. Bunu başarmak ise adeta sihirli bir ilerleme olur, 3B nanofotonik yeni işlevleri mümkün kılar ve Si içinde metasurface’lere yol açar.

En son araştırma, uzamsal olarak modüle edilmiş lazer ışınlarını ve önceden oluşturulmuş alt yüzey yapılarından gelen anizotropik geri bildirimi kullanarak bunu başardı. Bu, ekibin Silikon içinde nanoskobik ölçekte maddeyi manipüle ederek kontrollü nanoyapım yeteneği kurmasını sağladı.

Ayrıntılandırmak gerekirse, Bilkent ekibi, wafer içindeki karmaşık optik etkiler ve lazer ışığının doğasında bulunan kırınım sınırını, uzamsal modülasyonla oluşturulan benzersiz lazer darbesini kullanarak ele aldı. Uzamsal olarak modüle edilmiş lazer darbeleri bir Bessel fonksiyonuna karşılık gelir.

Enerjinin hassas birikimini engelleyen optik saçılma etkileri, özel lazer ışınının kırınımsız doğasıyla aşılmıştır. Bu kırınımsız doğa, enerjinin hassas bir şekilde yerelleştirilmesini sağlayan gelişmiş holografik projeksiyon teknikleriyle oluşturulur. Bu, malzemeyi küçük bir hacimde değiştirecek kadar yüksek basınç ve sıcaklık değerlerine yol açar.

Prof. Onur Tokel, Fizik Bölümü’nden şöyle açıklıyor:

“Yaklaşımımız, lazer darbesinin enerjisini yarı iletken bir malzeme içinde son derece küçük bir hacme yerelleştirmeye dayanıyor; böylece plazmonikteki gibi ortaya çıkan alan artırma etkilerinden faydalanılabilir. Bu, malzemenin içinde doğrudan dalga boyundan daha küçük ve çok boyutlu kontrol sağlar.”

Ekledi:

“Artık silikon içinde gömülü nanofotonik elemanlar, yüksek kırınım verimliliğine sahip nanogratings ve hatta spektral kontrol gibi, üretebiliriz.”

Bu, alt yüzeyde gerçekleşen nano-void’ların yakın çevresinde güçlü bir alan artırımı yarattığı ortaya çıkan bir tohumlama etkisiyle takip edildi. Bir kez kurulduğunda, ortaya çıkan alan artırımı kendini sürdürüyor, bu da önceki nanoyapıların oluşturulmasının sonraki nanoyapıların üretimine yardımcı olduğu anlamına geliyor.

Bu arada, lazer polarizasyonunun kullanılması, araştırmacılara nanoyapıların hizalanması ve simetrisi üzerinde nanoskobik ölçekte ek kontrol sağladı; bu da çeşitli nano-dizilerin doğru bir şekilde geliştirilmesine olanak tanıyor.

“Lazer-madde etkileşim sisteminde bulunan anizotropik geri bildirim mekanizmasını kullanarak, silikon içinde polarizasyon kontrollü nanolitografi elde ettik.”

– Çalışmanın baş yazarı, Dr. Asgari Sabet 

Bu yeni üretim yöntemi, geleneksel rejimlere göre büyük bir iyileşme sağlayarak 100 nm kadar küçük özellik boyutlarına ulaşmıştır.

Bu çalışma, çok boyutlu kontrol ve kırınım sınırının ötesindeki özelliklerle büyük alanlı hacimsel nanoyapılamayı göstererek belirli yapıya sahip nanoskobik sistemler için önemli sonuçlar doğurabilir. Araştırmacılara göre, bu çalışmadan kaynaklanabilecek potansiyel gelecekteki ilerlemeler metamaterialler, metasurface’ler, bilgi işleme uygulamaları ve fotonik kristaller içerebilir.

Araştırma ayrıca, tanıtılan nanogratings yeteneğinin bu hedefe doğru bir adım olmasıyla, çip üzeri sistemlerle entegrasyon için büyük bir potansiyel gösteriyor. Çalışma, aynı zamanda ilk çok katmanlı Si fotoniği olduğunu da belirtiyor.

Genel olarak, çalışma “silikon için yeni bir üretim paradigması” tanıttı. Silikon içinde doğrudan nanoskobik ölçekte üretim yapabilme yeteneği, daha fazla entegrasyon ve gelişmiş fotoniğe doğru yeni bir rejim açıyor” dedi Prof. Tokel. Çalışmanın bir sonraki adımı, Si içinde tam 3B nano-üretimin gerçekleştirilebilip gerçekleştirilemeyeceğini araştırmak.

Gelişmiş nanofotoniklerin daha iyi bir akıllı telefon inşa etmemize nasıl yardımcı olacağını öğrenmek için buraya tıklayın.

Nanomalzemeler, Yeni Nesil Bilişime Giden Yolu Açıyor

Yukarıda gördüğümüz gibi, araştırmacılar daha iyi sonuçlar elde etmek için nanoyapıları hedefliyor. Nanoteknoloji, 1 ila 100 nanometre boyutunda maddeyi nanoskobik ölçekte kontrol etmekle ilgilidir.

Bu kadar küçük bir ölçekte, malzemelerin benzersiz özelliklerini ve davranışlarını gözlemleyebilir, bu da araştırmacıların ve mühendislerin onları çeşitli uygulamalar için manipüle etmelerini sağlar. Sonuç olarak, nanoteknoloji enerji, elektronik, tıp ve malzeme bilimi dahil olmak üzere birçok sektörde geniş etkiler yaratmaktadır.

Dünyanın en acil sorunlarından bazılarını ele alma konusunda büyük bir potansiyele sahip olan nanoteknoloji, özellikle bilişim ve elektronik alanlarında sürekli ilerlemeler ve çığır açan gelişmelerle hızla evrimleşiyor. Nanoteknoloji, bu sektörlerdeki büyük ilerlemelere önemli ölçüde katkıda bulunmuş ve daha hızlı, daha küçük ve daha taşınabilir sistemlerin ortaya çıkmasını sağlamıştır.

Örneğin, grafen ve karbon nanotüpler gibi nanomalzemeler, esnek ve şeffaf elektronikler yaratma konusunda umut vaat etmektedir.

Nanoyapılar, malzemelerin elektriksel, optik ve manyetik özelliklerini kütle hâllerinin ötesine çıkararak yarı iletkenler ve bilişim alanlarını dönüştürmüştür.

Bu bağlamda, nanoskobik kuantum bitleri kullanılarak kuantum bilişim ve iletişimde ilerlemeler kaydedilmektedir. Ayrıca, araştırmalar yüksek kapasiteli, hızlı şarjlı bataryalar ve süperkapasitörler için nanomalzemeler geliştirmeye devam etmektedir. Bu arada, nanoskobik üretim tekniklerindeki gelişmeler, güçlü performansa sahip miniaturize cihaz ve bileşenlerin yaratılmasını mümkün kılıyor.

Nanoskobik transistörler ve bellek çipleri gibi daha küçük ve daha verimli cihazların geliştirilmesini sağlayarak, nanoteknoloji bilişim gücünü ve depolama kapasitesini büyük ölçüde artırmış ve Moore Yasası’nın sınırlarını zorlamıştır.

Burada bahsedilen Moore Yasası, Intel (INTC ) kurucu ortağı Gordon Moore tarafından formüle edilmiştir; tek bir çip üzerindeki transistör sayısının yaklaşık iki yılda bir iki katına çıkacağını, maliyetin ise minimal artacağını öne sürmüştür.

Buna bakarsak, 1950’lerde transistörler, vakum tüplerinin yerini alarak elektronik devrelerin temel bileşeni haline gelmeye başladı. İlk transistörler genellikle bir santimetre uzunluğundaydı, ancak kısa sürede milimetre ölçülerine indirildi.

Bu yüzyılın başına gelindiğinde, boyut 130 ila 250 nanometre arasında küçültülmüş, ardından yaklaşık on yıl önce sadece 14 nanometreye daha da indirilmiştir. 2015’te IBM, ilk yedi nanometre transistörünü yarı yarıya küçülterek bu boyutu yarıya indirdi. Daha küçük, daha iyi ve daha hızlı transistörlere doğru bu yolculuk hâlâ devam etmektedir.

Son birkaç yılda, üretimdeki en küçük transistör boyutu 3 nm’ye düşürülmüş, IBM ise Mayıs 2021’de DNA ipliğinden daha küçük 2 nm’lik bir transistör duyurmuştur. Transistörlere odaklanıyoruz çünkü neredeyse her elektronik cihazın gücünü sağlamakta temel bir rol oynarlar.

İlginç bir şekilde, transistörler ne kadar küçük olursa, o kadar az enerji tüketir ve o kadar hızlı olur. Ancak, birçok kişi bir şeyin sadece belli bir ölçüde küçültülebileceğine ve sonunda daha fazla küçültmenin mümkün olmayacağına inanıyor. İşte o zaman yeni nanomalzemeler ve gelişmiş teknoloji, cihazlarımızı iyileştirmek için gerekli olacaktır.

Bu durum, bilim insanlarını nöromorfik sistemler gibi teknolojilere yönlendirdi; bu sistemler, standart CMOS (tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken) devrelerinin performansını aşabilecek yeni yapay nöron ve sinapsların geliştirilmesini gerektirir.

Yapay nöron ve sinapsları kullanarak, bu bilgisayarlar insan beyinlerinin bilgi işleme şeklini taklit eder. Bu, mevcut bilgisayarlardan daha verimli ve hızlı bir şekilde desenleri tanıma, problemleri çözme ve karar verme yeteneği sağlar. Bu alan hâlâ yeni olmasına rağmen, bilişsel bilişim, otonom araçlar ve AI gibi hız ve verimliliğin kritik olduğu alanlarda umut vaat etmektedir.

Araştırmacılar ayrıca, gelişmiş bilişimin ihtiyaçlarını karşılamak için kuantum noktaları ve grafen gibi yeni malzeme sınıflarını inceliyor. Son çalışmalar, hem hız hem de verimlilikte iyileşmeler sağlayan nano-ölçekli bilgisayarlar tasarlamak için Kuantum Nokta Hücresel Otomata (QCA)’yı araştırdı.

Grafen dışında, geçiş metal dikalkojenitleri (2D-TMD’ler) gibi 2D malzemeler yarı iletkenlerde kullanılmak üzere değerlendiriliyor. Bu malzemenin geniş yüzey alanı, ışık etkileşimini verimli kılar ve ışığı manipüle etme yeteneğini artırır; aynı zamanda alışılmadık taşıyıcı mobilitesi cihaz performansını yükseltir. Dayanıklılığı, çeşitli gerçek dünya uygulamaları için dirençli olmasını sağlar.

Yukarıda belirtildiği gibi, silikonda nanoyapım elde eden son araştırma, çok daha yüksek işlem gücüne sahip bir sonraki nesil silikon tabanlı çipleri mümkün kılmayı da hedefliyor.

Nanoteknoloji alanını ilerletmek için çalışan en iyi şirketlerin listesi için buraya tıklayın.

İleri Bilişim Teknolojileri Üzerinde Çalışan Şirketler

Bu alanda yer alan şirketleri düşünürsek, Applied Materials (AMAT ) (AMAT), ileri yarı iletkenler için nanomanüfaktür teknolojisi sunar. Advanced Micro Devices (AMD ) (AMD), yüksek performanslı bilişim donanımları geliştirir ve ileri bilişim teknolojilerini araştırır.

GPU’larıyla tanınan NVIDIA Corporation (NVDA ) (NVDA), aynı zamanda kuantum bilişim araştırmalarına büyük yatırımlar yapmaktadır. Nvidia süper bilgisayarları, belirli problemleri çözmek için kuantum tavlama sistemleri geliştirmek amacıyla kullanılmaktadır. NVIDIA, sıkça ‘AI sevgilisi’ olarak anılır ve hisseleri yılbaşından bu yana %157 artış göstermiştir.

Şirket, 1Ç24’te 26 milyar dolar rekor satış kaydederek bir önceki çeyreğe göre %18, bir yıl öncesine göre %262 artış gösterdi. Şirket ayrıca 7 Haziran 2024’te onlu bir hisse bölünmesi duyurdu ve çeyreklik nakit temettüsünü 0,01 $’a yükseltti.

Şimdi, ileri bilişim, nanoteknoloji ve çip tasarımındaki yeniliklerde öncü araştırma yapan şirketlere bir göz atalım.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM), bulut ve AI fırsatlarıyla ilgilenen popüler bir teknoloji şirketidir. Odak noktası, kuantum bilişim araştırması ve yarı iletken teknolojisini ilerletmektir.

Geçtiğimiz yıl, şirket en yeni nesil kuantum işlemcisi IBM Heron’u tanıttı; bu işlemci 133 sabit frekanslı kuantum biti içeriyor ve cihaz performansında üç ila beş katlık bir iyileşme sağlıyor.

IBM Quantum’den VP Jay Gambetta’ye göre:

“Kuantum bilişimin tam gücü, geliştirici deneyimini basitleştirmek için üretken AI tarafından sağlanacak.”

Şirketin piyasa değeri 180,57 milyar dolar ve hisseleri YTD %19,86 artışla 195,51 $ seviyesinde işlem görüyor. Temettü getirisi %3,41. 2Ç24 için IBM, önceki yıla göre %2 artışla 15,8 milyar dolar gelir bildirdi.

Serbest nakit akışı ise 2,6 milyar dolar idi; şirket, tam yıl görünümü için bunu 12 milyar dolara yükseltti ve dönem içinde hissedarlara 1,5 milyar dolar temettü olarak geri verdi. Şirket çeyrek sonunda 16 milyar dolar nakit, kısıtlı nakit ve menkul kıymetle kapattı. IBM’in kurumsal AI konusundaki uzmanlığını ve Watsonx’in lansmanından bu yana bir yılda üretken AI işinin 2 milyar doları aşan büyümesini vurgularken, IBM CEO’su Arvind Krishna:

“İkinci çeyreğimiz güçlü geçti, beklentilerimizi aştık.”

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC), çip tasarımlarını yeniliyor ve nöromorfik ve kuantum bilişimi araştırıyor. Bu yarı iletken çip üreticisi, çoğu kişisel bilgisayarda bulunan x86 serisi mikroişlemcilerin mucididir. Şirket, şu anda küresel çip üretimindeki üstünlüğünü yeniden kazanmak için çalışıyor; bu amaçla ABD hükümetinden hibeler ve kredilerle finansman aldı.

Nöromorfik araştırmalar aracılığıyla Intel, bir sonraki nesil AI yazılımı ile optimize edilmiş donanımı ortak tasarlayarak uyarlanabilir AI’nin geleceğini hızlandırmayı hedefliyor. Ayrıca, Intel, Intel Nöromorfik Araştırma Topluluğu (INRC)’yi kurdu. Bu küresel işbirliği, araştırma kurumları, akademik gruplar, şirketler ve devlet laboratuvarlarından ekipleri bir araya getirerek beyin ilhamlı AI sınırını ilerletmeyi amaçlıyor.

Şirketin piyasa değeri 89,56 milyar dolar ve hisseleri YTD %58,23 düşüşle 21,06 $ seviyesinde işlem görüyor. 2Ç24 için Intel, ‘hayal kırıklığı’ yaratan finansal sonuçlar açıkladı; gelir %1 yıllık düşüşle 12,8 milyar dolar, GAAP dışı hisse başına kazanç 0,02 $ oldu. Şirket, 2024’ün dördüncü çeyreğinden itibaren temettüyü askıya aldığını duyurdu ve nakit akışları sürdürülebilir şekilde daha yüksek seviyelere yükseldikçe rekabetçi bir temettüye ‘uzun vadeli bağlılık’ vurgusunu yineledi.

Sonuç

Yeni yöntemler ve teknolojilerle yenilikçi bilişim yöntemlerini yönlendiren ileri bilişim, şirketler, araştırmacılar, mühendisler ve hükümetler arasında büyük ilgi görüyor. Sonuçta, siber güvenlik, finans piyasaları ve birçok kritik altyapının temelini oluşturuyor. Ayrıca, AI’nın yaygın kullanımı, veri, algoritmalar ve mikroçiplerle birlikte ileri bilişim gücüyle desteklenmektedir.

Son birkaç on yılda, bilişim teknolojisindeki ilerlemeler, düzenli olarak kullandığımız cihazların performansını ve işlevselliğini önemli ölçüde artırarak dijital ekonominin büyümesini besledi. Toplum üzerindeki derin etkisi göz önüne alındığında, enerji yoğun hesaplamanın taleplerini karşılamak ve ileri bilişime giden yolu açmak için sürekli araştırma ve geliştirme şarttır; bu da önceden hayal edilemeyen ürün ve hizmetlerin yaratılmasını mümkün kılar.

En iyi nanoteknoloji hisselerinin listesi için buraya tıklayın.