Sebastian Wood, científico principal del Laboratorio Nacional de Física (NPL), enfatiza la importancia de los estándares de medición en la aceleración de la tecnología de semiconductores.
La revolución de la inteligencia artificial (IA) está chocando contra un muro físico. A medida que los modelos de IA se vuelven exponencialmente más poderosos, el hardware que los respalda también lucha por mantenerse al día. La industria de los semiconductores, impulsada por la miniaturización de los chips de silicio, enfrenta ahora límites fundamentales en el consumo de energía, la gestión térmica y las velocidades de transferencia de datos. La innovación de hardware alguna vez fue la clave para permitir avances revolucionarios, pero a medida que la tecnología se vuelve más compleja, seguir siendo pionero se vuelve cada vez más difícil. La medición se ha convertido en un motor clave para seguir impulsando la innovación.
Este desafío ha provocado una ola de innovación. Están surgiendo rápidamente nuevos materiales y arquitecturas en el laboratorio y en toda la industria para llenar los vacíos. Los chiplets apilados en 3D, las interconexiones de gran ancho de banda y los diseños neuromórficos que imitan el cerebro humano ya no son sólo conceptos teóricos. Incluso las tecnologías emergentes, como los materiales 2D como los canales de transistores y los disipadores de calor de diamante, se consideran cada vez más como próximos pasos esenciales.
Sin embargo, a medida que la industria va más allá de las arquitecturas tradicionales de silicio, se enfrenta a cuestiones críticas que a menudo se pasan por alto. Eso significa que la ciencia de medición necesaria para validar estas tecnologías a escala a menudo aún no existe. No se puede construir lo que no se puede medir y no se puede escalar lo que no se puede probar de manera confiable.
Cuellos de botella de hardware y limitaciones de silicio
La demanda de informática de alto rendimiento, impulsada por la transición a la IA y las comunicaciones 6G, está llevando las arquitecturas de chips actuales al límite. Como señalan importantes centros de investigación como Imec, la hoja de ruta para el escalado del silicio avanza hacia la dimensión atómica, donde las propiedades del material comienzan a fluctuar.
Hay tres factores limitantes que crean este cuello de botella. Primero, existen límites físicos para la cantidad de transistores que se pueden colocar en un solo chip 2D. La industria está abordando este problema pasando al apilamiento 3D, pero esto requiere nuevos procesos para alinear cientos de capas con precisión nanométrica, lo que plantea un importante desafío metrológico. En segundo lugar, esta increíble densidad genera enormes cantidades de calor, lo que requiere nuevas técnicas de gestión térmica y materiales como el diamante para evitar que las virutas se derritan.
Por último, está lo que se conoce como el «muro de la memoria». La velocidad del procesador ha aumentado mucho más rápido que la capacidad de transferir datos desde chips de memoria individuales. Esta tasa de transferencia de datos es actualmente el principal factor limitante del rendimiento. La memoria de gran ancho de banda y una integración más estrecha de los chips traerán beneficios incrementales, pero la solución a largo plazo reside en nuevos conceptos. La comunicación óptica es más rápida que los cables eléctricos, pero la integración de la comunicación óptica entre la memoria y los chips de procesamiento requiere la integración de diferentes materiales para hacer realidad el sueño de los elementos ópticos empaquetados conjuntamente (CPO). Además, la computación neuromórfica, cuyo objetivo es imitar el comportamiento de las neuronas biológicas, tiene el potencial de ser significativamente más eficiente energéticamente que la computación digital de silicio para aplicaciones de IA. Sin embargo, la elección de los materiales y la arquitectura sigue siendo especulativa en este momento.
Cerrar la brecha de funcionalidad que falta con la medición
A medida que la industria explora estos nuevos materiales, arquitecturas y estructuras 3D, la capacidad que falta más urgente es la metrología necesaria para probarlos y validarlos. Los nuevos materiales requieren nueva tecnología. Las funciones pequeñas requieren métodos de alta resolución. Por ejemplo, las pilas 3D requieren herramientas que puedan ver a través de toda la estructura. Esto ya ha facilitado el uso de la tecnología de rayos X en las mediciones. Además, para permitir el uso de nuevos materiales como los dicalcogenuros de metales de transición 2D y el diamante, deben poder cultivarse a escala de oblea, lo que plantea desafíos fundamentales en lo que respecta a la ampliación.
Actualmente, estos procesos no existen y su desarrollo es costoso. Una función importante de la industria es evaluar el rendimiento y la confiabilidad de los productos finales. A medida que mejora el rendimiento del dispositivo y las especificaciones se vuelven más estrictas, se vuelven esenciales capacidades de medición más sólidas.
La oportunidad de Gran Bretaña: del liderazgo en I+D a los estándares globales
El Reino Unido se encuentra en una posición única para resolver este problema. Aunque el país no es un fabricante de chips de silicio de gran volumen, su mayor fortaleza radica en su ecosistema de I+D líder a nivel mundial, respaldado por universidades líderes y un grupo de empresas globales de semiconductores que basan su investigación aquí.
El Reino Unido puede aprovechar esta fortaleza de investigación y desarrollo en ciertas áreas de alto valor para mantener su posición como líder mundial en esta área. Nuestro liderazgo en investigación en semiconductores compuestos y fotónica basada en silicio amplía las posibilidades de la óptica empaquetada. Nuestra experiencia líder a nivel mundial en el crecimiento de diamantes aborda directamente cuestiones críticas de gestión térmica. Y nuestra profunda investigación sobre materiales 2D y dispositivos neuromórficos podría sentar las bases para las próximas dos generaciones de informática con IA.
La clave es conectar esta innovación con los mercados globales. A medida que los innovadores del Reino Unido busquen ganar terreno, dependerán de métricas para demostrar el rendimiento de sus productos. Probar su tecnología con estándares reconocidos puede ayudarle a reducir el riesgo de su inversión y proteger a sus clientes. Aquí es donde la investigación “pre-estándares”, el proceso mediante el cual los laboratorios nacionales trabajan con la industria para desarrollar estos estándares, se convierte en una necesidad comercial. Esto proporciona acceso temprano a las mejores prácticas y garantiza que existan estándares para respaldar al mercado cuando esté listo.
Como se detalla en nuestro reciente informe sobre las prioridades de la metrología de semiconductores en el Reino Unido, brindar a los innovadores acceso a metrología de vanguardia puede reducir el tiempo de comercialización de nuevos productos y generar beneficios significativos. Al liderar el desarrollo de estas nuevas mediciones y estándares, el Reino Unido puede dar forma a los mercados globales, brindar a los innovadores acceso a las cadenas de suministro internacionales y convertir el liderazgo en investigación y desarrollo en beneficios económicos tangibles.
Este artículo aparecerá en una próxima publicación de enfoque especial sobre informática de alto rendimiento.
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