Fortschrittliche Computertechnologien: Von der Nanofabrikation zu neuromorphen Systemen

Fortschrittliche Computertechnologien machen große Fortschritte in Richtung hoher Geschwindigkeit und niedrigem Stromverbrauch. Zu den wichtigsten Fortschritten in diesem Bereich gehören neuartige Siliziumarchitekturen, die geschichtete Designs verwenden, um schnellere und kleinere Chips zu geringeren Kosten zu bauen.

Advanced computing technologies are making great progress toward achieving high speed and low power consumption.

Fortschrittliche Computertechnologien machen große Fortschritte in Richtung hoher Geschwindigkeit und niedrigem Stromverbrauch.

Key advancements in this field include novel silicon architectures that use layered designs to build faster and smaller chips at a lower cost. Meanwhile, photonic computing utilizes light waves to process and store data. With the speed of light simply unsurpassable, this can offer high speed and low latency.

Zu den wichtigsten Fortschritten in diesem Bereich gehören neuartige Siliziumarchitekturen, die geschichtete Designs verwenden, um schnellere und kleinere Chips zu geringeren Kosten zu bauen. Unterdessen nutzt das Photonic Computing Lichtwellen, um Daten zu verarbeiten und zu speichern. Da die Lichtgeschwindigkeit einfach unübertrefflich ist, kann dies eine hohe Geschwindigkeit und geringe Latenz bieten.

Then, there is biological computing, where information is encoded and stored in biological cells, propelled by progress made in nanobiotechnology. Quantum computing also offers significant potential, solving complex problems faster than today's computers by leveraging quantum superposition, entanglement, and interference.

Dann gibt es noch das biologische Computing, bei dem Informationen kodiert und in biologischen Zellen gespeichert werden, angetrieben durch Fortschritte in der Nanobiotechnologie. Quantencomputing bietet auch ein erhebliches Potenzial, da es durch die Nutzung von Quantenüberlagerung, -verschränkung und -interferenz komplexe Probleme schneller löst als heutige Computer.

Moreover, neuromorphic computing mimics the neural systems of our brains to perform parallel computations; cloud computing moves processing to remote or virtual locations; and edge computing shifts processing from centralized facilities closer to end users.

Darüber hinaus ahmt neuromorphes Rechnen die neuronalen Systeme unseres Gehirns nach, um parallele Berechnungen durchzuführen; Cloud Computing verlagert die Verarbeitung an entfernte oder virtuelle Standorte; und Edge Computing verlagert die Verarbeitung von zentralisierten Einrichtungen näher an die Endbenutzer.

All these developments in computing technology, which focus on tools and systems for processing, storing, and communicating data, have led to unprecedented advancements in fields including artificial intelligence (AI) and data analytics.

All diese Entwicklungen in der Computertechnologie, die sich auf Werkzeuge und Systeme zur Verarbeitung, Speicherung und Kommunikation von Daten konzentrieren, haben zu beispiellosen Fortschritten in Bereichen wie künstlicher Intelligenz (KI) und Datenanalyse geführt.

Ongoing research in the field has led to continued and rapid innovation in computing techniques, with scientists now going even deeper to achieve better, faster, and more efficient results.

Die laufende Forschung auf diesem Gebiet hat zu kontinuierlichen und schnellen Innovationen bei den Computertechniken geführt, wobei Wissenschaftler jetzt noch tiefer gehen, um bessere, schnellere und effizientere Ergebnisse zu erzielen.

Breakthrough in Laser Nanoscale Fabrication in Silicon

Durchbruch in der lasernanoskaligen Herstellung von Silizium

Researchers from Bilkent University, Turkey, recently achieved a significant breakthrough by developing a technique for fabricating nanostructures deep inside silicon wafers. 

Forschern der Bilkent-Universität in der Türkei ist kürzlich ein bedeutender Durchbruch gelungen, indem sie eine Technik zur Herstellung von Nanostrukturen tief im Inneren von Siliziumwafern entwickelt haben.

The new method enables nanofabrication within silicon through spatial light modulation and laser pulses, creating advanced nanostructures that will benefit electronics and photonics.

Die neue Methode ermöglicht die Nanofabrikation innerhalb von Silizium durch räumliche Lichtmodulation und Laserimpulse und schafft so fortschrittliche Nanostrukturen, die der Elektronik und Photonik zugute kommen.

The study focused on silicon, the foundation of electronics, photonics, and photovoltaics. As a semiconductor, Silicon's electrical conductivity lies between that of an insulator and a pure conductor. It is the second most abundant element in the Earth's crust, possessing both metallic and non-metallic properties. Additionally, Silicon's excellent electrical properties, including its relatively small energy gap, make it an important material in the semiconductor industry.

Der Schwerpunkt der Studie lag auf Silizium, der Grundlage von Elektronik, Photonik und Photovoltaik. Als Halbleiter liegt die elektrische Leitfähigkeit von Silizium zwischen der eines Isolators und der eines reinen Leiters. Es ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste und besitzt sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften. Darüber hinaus machen die hervorragenden elektrischen Eigenschaften von Silizium, einschließlich seiner relativ kleinen Energielücke, Silizium zu einem wichtigen Material in der Halbleiterindustrie.

However, silicone has been limited to surface-level nanofabrication due to the difficulties posed by existing lithographic techniques. Current methods are either unable to penetrate the surface of the wafer without causing any changes or are restricted by the resolution of laser lithography. Additionally, existing techniques do not allow for high-precision modulation deep within the wafer. 

Aufgrund der Schwierigkeiten, die bestehende lithografische Techniken mit sich bringen, war Silikon jedoch auf die Nanofabrikation auf Oberflächenebene beschränkt. Aktuelle Methoden können entweder nicht ohne Veränderungen in die Oberfläche des Wafers eindringen oder sind durch die Auflösung der Laserlithographie eingeschränkt. Darüber hinaus ermöglichen bestehende Techniken keine hochpräzise Modulation tief im Inneren des Wafers.

If devices could be directly fabricated inside the bulk of this metal without altering the wafer's top or bottom surface, it would set a new standard.

Wenn Geräte direkt in der Masse dieses Metalls hergestellt werden könnten, ohne die Ober- oder Unterseite des Wafers zu verändern, würde dies einen neuen Standard setzen.

Of course, that means getting past all these challenges of a greater-than-1-micron fabrication resolution limit while simultaneously achieving multi-dimensional nanoscale control inside the wafer. Doing so, however, would be a magic advance, enabling 3D nanophotonics novel functionalities and leading to metasurfaces inside Si. 

Das bedeutet natürlich, all diese Herausforderungen einer Herstellungsauflösungsgrenze von mehr als 1 Mikrometer zu meistern und gleichzeitig eine mehrdimensionale Kontrolle im Nanomaßstab innerhalb des Wafers zu erreichen. Dies wäre jedoch ein magischer Fortschritt, der der 3D-Nanophotonik neuartige Funktionalitäten ermöglichen und zu Metaoberflächen im Inneren von Si führen würde.

The latest research went on to exploit spatially modulated laser beams and anisotropic feedback from preformed subsurface structures to achieve this. This allowed the team to establish controlled nanofabrication capability inside Si by manipulating matter at the nanoscale. 

Die neueste Forschung nutzte dazu räumlich modulierte Laserstrahlen und anisotrope Rückkopplungen von vorgeformten Untergrundstrukturen, um dies zu erreichen. Dies ermöglichte es dem Team, durch Manipulation von Materie im Nanomaßstab eine kontrollierte Nanofabrikationsfähigkeit innerhalb von Si zu etablieren.

To elaborate, the Bilkent team addressed the challenge of complex optical effects within the wafer and the inherent diffraction limit of the laser light by utilizing the unique laser pulse, which was created by modulating the spatial. The spatially modulated laser pulses correspond to a Bessel function. 

Um dies näher zu erläutern, ging das Bilkent-Team die Herausforderung komplexer optischer Effekte innerhalb des Wafers und der inhärenten Beugungsgrenze des Laserlichts an, indem es den einzigartigen Laserimpuls nutzte, der durch Modulation des Raums erzeugt wurde. Die räumlich modulierten Laserpulse entsprechen einer Bessel-Funktion.

The optical scattering effects, which had been obstructing the precise deposition of energy, were then overcome by the special laser beam's non-diffracting nature. This non-diffracting nature is created with advanced holographic projection techniques, which allows for the precise localization of energy. This leads to high enough pressure and temperature values to modify the material at a small volume. 

Die optischen Streueffekte, die die präzise Energieabgabe behinderten, wurden dann durch die nicht beugende Natur des speziellen Laserstrahls überwunden. Diese beugungsfreie Natur wird mit fortschrittlichen holografischen Projektionstechniken erzeugt, die eine präzise Lokalisierung der Energie ermöglichen. Dies führt zu ausreichend hohen Druck- und Temperaturwerten, um das Material in einem kleinen Volumen zu verändern.

According to Onur Tokel, Professor at the Department of Physics:

Laut Onur Tokel, Professor am Fachbereich Physik:

“Our approach is based on localizing the energy of the laser pulse within a semiconductor material to an extremely small volume, such that one can exploit emergent field enhancement effects analogous to those in plasmonics. This leads to sub-wavelength and multi-dimensional control directly inside the material.”

„Unser Ansatz basiert darauf, die Energie des Laserpulses innerhalb eines Halbleitermaterials auf ein extrem kleines Volumen zu lokalisieren, sodass man entstehende Feldverstärkungseffekte analog zu denen in der Plasmonik nutzen kann.“ Dies führt zu einer Subwellenlängen- und mehrdimensionalen Kontrolle direkt im Material.“

He added:

Er fügte hinzu:

“We can now fabricate nanophotonic elements buried in silicon, such as nanogratings with high diffraction efficiency and even spectral control.”

„Wir können jetzt in Silizium vergrabene nanophotonische Elemente herstellen, etwa Nanogitter mit hoher Beugungseffizienz und sogar spektraler Kontrolle.“

This was followed by an emergent seeding effect, where nano-voids performed on the subsurface created a strong field enhancement in their close surroundings. Once established, the resulting field enhancement sustains itself, which means that the creation of earlier nanostructures helps fabricate the later nanostructures. 

Darauf folgte ein Emerging-Seeding-Effekt, bei dem auf dem Untergrund erzeugte Nanohohlräume eine starke Feldverstärkung in ihrer unmittelbaren Umgebung erzeugten. Sobald die resultierende Feldverstärkung einmal etabliert ist, bleibt sie erhalten, was bedeutet, dass die Schaffung früherer Nanostrukturen zur Herstellung späterer Nanostrukturen beiträgt.

Meanwhile, the use of laser polarization provided researchers with additional control over nanostructures' alignment and symmetry at the nanoscale, which allows the accurate development of varied nano-arrays.

Unterdessen ermöglichte der Einsatz der Laserpolarisation den Forschern eine zusätzliche Kontrolle über die Ausrichtung und Symmetrie von Nanostrukturen auf der Nanoskala, was die genaue Entwicklung verschiedener Nanoarrays ermöglichte.

“By leveraging the anisotropic feedback mechanism found in the laser-material interaction system, we achieved polarization-controlled nanolithography in silicon.”

„Durch die Nutzung des anisotropen Rückkopplungsmechanismus im Laser-Material-Wechselwirkungssystem haben wir eine polarisationskontrollierte Nanolithographie in Silizium erreicht.“

– The study lead author, Dr. Asgari Sabet 

– Der Hauptautor der Studie, Dr. Asgari Sabet

This new fabrication method has achieved feature sizes as small as 100 nm, which is a great improvement over the conventional regimes. 

Mit dieser neuen Herstellungsmethode wurden Strukturgrößen von nur 100 nm erreicht, was eine große Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Verfahren darstellt.

This study could have considerable

Diese Studie könnte erhebliche Auswirkungen haben