शोधकर्ताओं का दावा: पहला कार्यशील graphene-आधारित chip विकसित

 (spectrum.ieee.org)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-01-21 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • silicon की speed, heat और miniaturization सीमाएँ बढ़ती जा रही हैं; ऐसे में Georgia Tech की research team का दावा है कि काम करने वाला graphene-आधारित semiconductor मौजूदा computers और भविष्य के quantum computers के materials का विकल्प बन सकता है
  • मुख्य बात silicon carbide(SiC) से जुड़ा epitaxial graphene है, जिसे research team SEC या epigraphene कहती है; उनका कहना है कि इसमें मौजूदा silicon की तुलना में electron mobility अधिक दिखी
  • निर्माण विधि में SiC को 1,000°C से ऊपर गर्म करके सतह के silicon को evaporate किया जाता है; process equipment और material cost chip के लिए करीब 10 डॉलर, crucible के लिए करीब 1 डॉलर, और quartz tube के लिए करीब 10 डॉलर बताई गई है
  • मौजूदा graphene electronic devices में bandgap न होने के कारण transistor को पूरी तरह बंद करना कठिन था, लेकिन research team का कहना है कि उनका SEC digital electronics के लिए जरूरी complete shutoff की संभावना पेश करता है
  • research team का लक्ष्य इसे मौजूदा silicon lines में बस जोड़ना नहीं, बल्कि SiC-आधारित silicon के बाद का paradigm है; इसकी वास्तविक maturity आगे लगाए जाने वाले development effort पर काफी निर्भर करेगी

Georgia Tech का graphene-आधारित semiconductor दावा

  • Georgia Tech की research team ने दुनिया का पहला functional graphene-आधारित semiconductor विकसित करने का दावा किया है
  • research 3 जनवरी को Nature में प्रकाशित हुई और इसका नेतृत्व Georgia Tech के physics professor Walt de Heer ने किया
  • केंद्रीय material silicon carbide(SiC) से chemically bonded carbon crystal structure, यानी epitaxial graphene है
    • research team इस semiconductor material को semiconducting epitaxial graphene, SEC, या epigraphene कहती है
    • उनका कहना है कि SEC में मौजूदा silicon से अधिक electron mobility है, जिससे electrons बहुत कम resistance के साथ move कर सकते हैं

निर्माण विधि और लागत

  • निर्माण विधि 50 साल से अधिक समय से ज्ञात एक सरल technique का modified version है
  • SiC को 1,000°C से ऊपर गर्म करने पर सतह का silicon evaporate हो जाता है, और carbon-rich surface graphene में बन जाती है
  • actual process में argon quartz tube के अंदर दो SiC chip stacks को graphite crucible में रखकर प्रक्रिया की जाती है
    • quartz tube के आसपास की copper coil में high-frequency current प्रवाहित किया जाता है
    • induction heating से graphite crucible को गर्म किया जाता है
    • process time करीब 1 घंटा है
  • इस तरह बना SEC मूल रूप से charge-neutral state में होता है, और हवा के संपर्क में आने पर oxygen से naturally doped हो जाता है
    • oxygen doping को vacuum में करीब 200°C पर गर्म करके आसानी से हटाया जा सकता है
  • de Heer के अनुसार लागत: इस्तेमाल की गई chip करीब 10 डॉलर, crucible करीब 1 डॉलर, quartz tube करीब 10 डॉलर है

मौजूदा graphene semiconductor approaches से अंतर

  • 2008 से यह ज्ञात था कि SiC के साथ vacuum में गर्म करने पर graphene को semiconductor की तरह operate कराया जा सकता है
  • de Heer की method को bandgap formation में अंतर पैदा करने वाली माना गया है
    • modified method को सही तरह इस्तेमाल करने पर bonding बहुत regular तरीके से बनती है
    • paper में high mobility दिखाई देने की बात कही गई है
  • मौजूदा graphene electronic devices में bandgap न होने के कारण transistors को on और off करने में कठिनाई थी
  • graphene को semiconductor बनाने पर मौजूदा research करीब 10 साल से चल रही है, जिसमें graphene से atoms को chemically bond करके bandgap बनाने की methods भी शामिल हैं
    • de Heer का मानना है कि मौजूदा methods ने chemical या mechanical structural issues के कारण low-mobility semiconductor graphene बनाया

graphene ribbon और wrinkle approach की सीमाएँ

  • graphene ribbon को एक promising approach माना गया था, लेकिन semiconductor properties दिखाने के लिए उसमें बहुत specific width और armchair edge होना जरूरी है
    • यह condition ribbon width के inversely proportional है
    • ribbon को chemical method से बनाना उपयुक्त है, और आखिर में उसे substrate पर ठीक-ठीक place करके metallic wire से interconnect करना होगा
  • de Heer कहते हैं कि graphene nanoribbon technology, principle में semiconducting carbon-nanotube technology से बहुत मिलती-जुलती है
    • उनका आकलन है कि carbon-nanotube technology 30 साल के nanotube research के बाद भी सफल नहीं हुई
  • graphene में wrinkle डालकर bandgap खोलने की method भी है
    • mechanical deformation से bandgap खोला जा सकता है
    • अधिकतम 0.2 electron volts का bandgap demonstrate किया गया है
    • silicon का bandgap 1.12 eV है, जो काफी बड़ा है
    • छोटे bandgap के कारण applications की संभावना अस्पष्ट है, और mobility information की कमी भी समस्या बनी हुई है

SEC के बताए गए technical advantages

  • research team का कहना है कि उन्होंने defect-free और atomically flat SiC terrace पर large-area semiconducting SEC बनाया है
  • SiC एक highly developed और आसानी से उपलब्ध electronic material है, और इसे मौजूदा microelectronics processes के साथ पूरी तरह compatible माना जाता है
  • SEC, मौजूदा silicon-based transistors की तुलना में 10 गुना तेज terahertz frequency operation वाले transistors को संभव बना सकता है
  • commercial graphene field-effect transistor(GFET) से मुख्य अंतर semiconducting graphene के इस्तेमाल का है
    • मौजूदा GFET semiconducting graphene का उपयोग नहीं करते, इसलिए वे digital electronics के लिए उपयुक्त नहीं हैं, जहाँ complete transistor shutdown जरूरी होता है
    • research team मानती है कि उनका SEC complete shutoff कर सकता है और digital electronics की सख्त requirements को पूरा करता है

silicon की सीमाएँ और quantum computing की संभावना

  • semiconductor सभी electronic devices का key component है, और उसमें conductor व insulator दोनों की properties होती हैं
  • वर्तमान में मुख्य semiconductor material silicon speed, heat और miniaturization के मामले में अपनी सीमाओं के करीब पहुँच रहा है
  • de Heer मानते हैं कि computing history में तेज progress silicon की इन constraints के कारण धीमी हो रही है
  • graphene, hexagonal lattice में arranged carbon atoms की एक layer है, और इसे silicon से बेहतर conductor माना जाता है, जो अधिक efficient electron movement में मदद करता है
  • research team मानती है कि graphene-based semiconductor quantum computing में अहम भूमिका निभा सकता है
    • बहुत कम temperature पर device में graphene का उपयोग करने पर electrons में light में दिखने जैसी quantum-mechanical wave properties दिखाई देती हैं
    • de Heer कहते हैं कि graphene electronics, electrons और holes की उन quantum-mechanical wave properties का इस्तेमाल कर सकती है, जिन तक silicon electronics नहीं पहुँच सकती
  • हालांकि graphene-based semiconductor, advanced quantum computers की current superconducting technology से आगे निकल सकता है या नहीं, इसके लिए और research की जरूरत है

development direction और बाकी challenges

  • Georgia Tech team graphene-based semiconductor को standard silicon या compound semiconductor lines में डालने की दिशा नहीं मानती
  • लक्ष्य SiC का उपयोग करके silicon के बाद के paradigm की ओर बढ़ना है
  • research team SEC को boron nitride से coat करने जैसे protection और मौजूदा semiconductor lines के साथ compatibility बढ़ाने के methods विकसित कर रही है
  • de Heer का मानना है कि इस technology के development में समय लगेगा
    • उन्होंने इस achievement की तुलना Wright brothers की पहली 100m flight से की
    • future achievements मुख्यतः इस बात पर निर्भर करेंगी कि development में कितना काम लगाया जाता है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-01-21
Hacker News की राय

  • लगता है मुख्य बात थोड़ी दब गई है। अंत में यह बात आती है कि “मौजूदा GFET (ग्राफीन ट्रांजिस्टर) semiconducting graphene का इस्तेमाल नहीं करते, इसलिए वे उन digital electronic circuits के लिए उपयुक्त नहीं हैं जहाँ transistor को पूरी तरह बंद करना जरूरी होता है। [...] रिसर्च टीम द्वारा विकसित SEC material पूरी तरह cutoff संभव बनाता है, जिससे digital electronic circuits की सख्त जरूरतें पूरी होती हैं”
    पहले मैंने सुना था कि ग्राफीन ट्रांजिस्टर की समस्या यही थी। nonlinear response तो होता है, लेकिन current flow को काट नहीं पाते, इसलिए digital logic के लिए बेकार और सिर्फ analog circuits में उपयोगी होते हैं। हालांकि यह पढ़े हुए काफी समय हो गया है, इसलिए हो सकता है किसी ने इसे पहले ही हल कर लिया हो

    • शायद आप bandgap problem की बात कर रहे हैं
      इस समस्या की अच्छी व्याख्या यहाँ है: https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/graphene...
      संबंधित हिस्से का सार यह है कि GFET तेज और efficient transistor है, लेकिन इसमें bandgap नहीं होता। bandgap न होने पर valence band और conduction band 0 volt पर मिल जाते हैं और graphene metal की तरह व्यवहार करता है। silicon जैसे semiconductors में इन दोनों bands के बीच का gap सामान्य परिस्थितियों में insulator की तरह व्यवहार करता है
      आम तौर पर electrons को valence band से conduction band में जाने के लिए अतिरिक्त energy चाहिए होती है, और FET में bias voltage न होने पर insulator की तरह काम करने वाले band के जरिए bias voltage current flow को संभव बनाता है। लेकिन GFET में bandgap नहीं होता, इसलिए transistor को बंद करना मुश्किल है, और इसे पूरी तरह बंद नहीं किया जा सकता; on/off current ratio लगभग 5 ही रहता है, जो logic operations के लिए कम है। इसलिए digital circuits में यह मुश्किल है, लेकिन analog circuits में यह समस्या कम होती है, इसलिए amplifiers, mixed-signal circuits आदि के लिए उपयुक्त है
      कई research teams negative resistance approach या bottom-up synthesis manufacturing techniques जैसे तरीकों से इस bandgap problem को हल करने पर काम कर रही हैं
    • अगर transistor आधा analog जैसा हो, तो मुझे लगता है यह AI computation के लिए काफी ठीक हो सकता है। matrix multiplication, sigmoid, tanh जैसी operations की बात कर रहा हूँ
    • article में bandgap के बारे में यही कहा गया है। यह मौजूद है, लेकिन बेहद unstable है

  • एक वाक्य है, “नतीजे में ऐसा transistor बना जो मौजूदा chips में इस्तेमाल होने वाले silicon-based transistors से 10 गुना तेज speed देता है और terahertz frequencies पर operate कर सकता है,” लेकिन समझ नहीं आता 10 गुना क्यों
    हम तो single-digit gigahertz range में हैं, तो terahertz का मतलब लगभग 100 गुना तेज नहीं होना चाहिए?

    • clock frequency single-digit gigahertz ही होती है। लेकिन digital signals को logic gates की कई layers से होकर propagate करना पड़ता है, इसलिए transistor को खुद उससे कहीं ज्यादा तेजी से switch करना पड़ता है
      सरसरी तौर पर article में यह साफ नहीं है कि “terahertz” speed से switching frequency का मतलब है या gain bandwidth (fT) का। अभी भी सैकड़ों gigahertz fT वाले transistors पूरी तरह संभव हैं
    • digital computers की clock speed single-digit GHz होती है, लेकिन analog circuits में silicon से भी करीब 100GHz संभव है। जैसे automotive radar chips या communication systems
      यहाँ THz की बात analog circuits से जुड़ी लगती है, और मतलब शायद यह है कि यह नई technology उससे लगभग 10 गुना अधिक है। और जानना हो तो transistors के Fmax और Ft देखें
    • पूरे chip के स्तर पर single-digit gigahertz है, लेकिन single transistor के स्तर पर नहीं
    • मैं electrical engineer नहीं हूँ, लेकिन संभावना है कि मौजूदा transistors भी मौजूदा chips की तुलना में कहीं ज्यादा clock speed पर operate कर सकते हैं
      समस्या शायद यह है कि उन्हें बहुत घना integrate करने पर वे बहुत गर्म हो जाते हैं, इसलिए Dennard scaling individual transistor की limit तक नहीं पहुँच पाती
    • single transistor level की frequency और chip level की frequency अलग होती है। हर clock stage में transistors की कई layers शामिल होती हैं

  • manufacturing process, silicon से पैदा होने वाली local ecological disaster की तुलना में काफी friendly दिखता है
    हालांकि आधी सदी में विकसित हुए silicon ecosystem से मुकाबला करना सचमुच मुश्किल है। आजकल STEM talent का software की ओर ज्यादा खिंचना भी एक वजह है…

    • वह बस common-sense choice है। semiconductor companies में अच्छा पैसा कमाना मुश्किल है, और field इतनी narrow है कि किस्मत अच्छी हो तो आप अपने इलाके की एक-दो companies की सनक से बंध जाते हैं। employer बुरा व्यवहार करे तो आप बस निकलकर अपनी chip manufacturing business शुरू नहीं कर सकते
      software ज्यादा democratized है, और family wealth बढ़ाने की संभावना भी कहीं ज्यादा है। हालांकि corrupt regulators पूरी कोशिश कर रहे हैं कि workers अपने रास्ते जाने की ladder को जितना हो सके लात मारकर गिरा दें। उदाहरण के लिए UK का बदला हुआ IR35 law छोटे service-based businesses चलाने को काफी सीमित करता है
    • scale बढ़ाकर commercialize होने तक इंतजार करें, वह nightmare फिर लौट आएगा
      दुखद सच्चाई यह है कि अप्रिय और अजीब chemicals कई manufacturing processes को सस्ता बनाते हैं और large-scale batches संभव करते हैं। जब हर limit को push किया जा रहा हो और stakes बड़े हों, तो ऐसे विकल्पों को पूरी तरह बाहर रखना मुश्किल है

  • अगर मैंने सही पढ़ा है, तो यह ज्यादा सही रूप से graphene wafer नहीं है? ऐसा लगता है कि यह circuit लगा हुआ नहीं, बस graphene sheet है। फिर भी impressive है, लेकिन इसे “working chip” कहना मुश्किल लगता है

    • सही है। लगता है लेखक semiconductor और chip के फर्क को नहीं समझ पाया। researchers ने “working semiconductor” कहा था
    • शायद epitaxially grown graphene layer से patterned single device होने की संभावना ज्यादा है। यह functioning transistor या transistors का set तो होगा, लेकिन single device के तौर पर शायद बहुत उपयोगी न हो
      आम तौर पर ऐसे devices में probes लगाने के लिए बड़े metal pads pattern किए जाते हैं, और वहीं से characteristics मापी जाती हैं
    • article और paper को जल्दी से देखा, और article में linked paper कहता है कि researchers ने MOSFET performance characterize किया
    • material science हल हो जाए तो अगला फर्क बस engineering के क्षेत्र का है

  • पूरा research paper यहाँ है: https://arxiv.org/pdf/2308.12446
    proof-of-concept device भी बनाया गया था। इसमें लिखा है, “fabricated top-gated SEG FET को characterize कर SEG की electrical properties मापीं”

  • पिछली चर्चा: https://news.ycombinator.com/item?id=38912240 और https://news.ycombinator.com/item?id=38878780

  • असली सवाल यह है कि क्या इसे सिलिकॉन जितनी प्रभावी तरह से प्रोसेस और miniaturize किया जा सकता है। फिर भी, जैसा किसी ने बताया, इस पर आधारित transistor पहले ही बना लिया गया है, और यह दावा भी है कि सिलिकॉन में इस्तेमाल होने वाली प्रक्रियाओं को वैसे ही इस्तेमाल किया जा सकता है, इसलिए उम्मीद है कि बात बनेगी

    • सही है। सिलिकॉन-आधारित से कहीं तेज़ switching करने वाले semiconductor पहले से मौजूद हैं, लेकिन वे कुल चीज़ का सिर्फ़ करीब 10% हैं
      miniaturization technology, fab equipment, उस क्षेत्र के engineers और scientists की expertise, conductor/semiconductor/insulator layers और interfaces आदि—ऐसे कहीं ज़्यादा factors हैं। मौजूदा silicon ecosystem के बाहर की प्रगति के बारे में सुनना अच्छा है, लेकिन सिर्फ़ “बेहतर material” होने की वजह से silicon को हटाना बेहद मुश्किल है। नई technology stack पर जाने के लिए शायद मौजूदा technology की तुलना में कोई क्रांतिकारी लाभ, जैसे 100x improvement, चाहिए होगा
    • Silicon-based chips transistor को जोड़ने के लिए oxide layers और metal layers पर निर्भर करते हैं। Graphene-based devices में यह कैसे काम करेगा, यह सिर्फ़ article से साफ़ नहीं है
      GaAs-based chips में भी यह समस्या थी। GaAs Wikipedia में लिखा है, “Si का दूसरा बड़ा फायदा insulator के रूप में इस्तेमाल होने वाली natural oxide layer, यानी silicon dioxide (SiO2), का मौजूद होना”
    • भले ही यह उस स्तर तक न पहुंचे, अगर यह बिना heatsink के भी बेहिसाब high current संभालने वाला MOSFET हो, तो भी शानदार है

  • अगर विवरण यह है कि “यह heating step दो SiC chips को stack करके graphite crucible में डालकर, फिर उसे argon quartz tube के अंदर रखकर किया जाता है। इसके बाद quartz tube के चारों ओर copper coil में high-frequency current प्रवाहित कर induction से graphite crucible को गर्म किया जाता है”, तो आखिरकार इसका मतलब tube furnace इस्तेमाल करना ही नहीं है क्या?
    de Heer ने कहा कि “हम जो chip इस्तेमाल करते हैं वह करीब 10 डॉलर की है, crucible करीब 1 डॉलर का है, और quartz tube करीब 10 डॉलर की है”, लेकिन tube furnace 10 डॉलर का नहीं होता, जब तक कि आप उसे खुद न बनाएं और आसपास पहले से मौजूद हजारों डॉलर के equipment को cost में से बाहर न रखें

    • वह प्रक्रिया में इस्तेमाल होने वाली consumables की कीमत की बात है। building, electricity, staff और बाकी कई चीज़ें चाहिए होंगी, यह अंदाज़े से समझा जा सकता है

  • समस्या हमेशा scaling और equipment में होती है। अगर मौजूदा infrastructure का इस्तेमाल नहीं किया जाता, तो सफलता की संभावना कम है

    • मुझे लगता है carbon को computing में इस्तेमाल करने में कुछ fundamental issues भी हैं। असल में carbon इतना अधिक नहीं है, और हमारे पास मौजूद carbon का अधिकांश हिस्सा हमें जीवित रखने वाली organic chemistry के लिए जरूरी है
      संदर्भ के लिए, carbon पृथ्वी के mass का लगभग 0.18% है, जबकि silicon 27.7% है। Moon पर व्यवहार में carbon नहीं है, और regolith में 20% silicon है

  • क्या कोई ऐसा niche है जहां ultra-fast chips की जरूरत हो और silicon-based chips उसे पूरा न कर पाते हों? उत्सुकता है कि क्या कोई ऐसा market होगा जहां छोटी company छोटी मात्रा बनाकर भी viable हो, या यह सिर्फ़ large-scale production में ही संभव होगा

    • बिल्कुल है। उदाहरण के लिए, network switches में processing speed की demand लगभग अंतहीन है