プラズモンを利用して代替コンピューティング能力を実現

AI の過剰な電力要求については多くの研究がなされていますが、解決策はほとんどありません。これにより、エンジニアはコンピューティングにおけるまったく新しいパラダイムを検討するようになりました。 光学的、 熱力学、 可逆—リストは続きます。これらのアプローチの多くは、計算に使用される材料の変更を必要とするため、現在使用されている CMOS 製造技術の徹底的な見直しが必要になります。

過去 10 年にわたり、ヘクター デ ロス サントスはさらに別の新しいアプローチに取り組んできました。この技術では、CMOS で使用されているものとまったく同じ材料が必要となり、高価な装置を節約しながら、根本的に異なる方法で計算を実行できるようになります。個々の電子の動き (電流) の代わりに、プラズモンとして知られる電子の海における集合的な波状伝播を使用して計算を行うことができます。

IEEE フェローのデ・ロス・サントス氏は、2010 年にプラズモンを使ったコンピューティングのアイデアを最初に提案しました。さらに最近では、2024 年に、デ・ロス・サントス氏とサウスカロライナ大学、オハイオ州立大学、ジョージア工科大学の共同研究者が、プラズモンベースのロジックの主要なコンポーネントである、あるプラズモンを別のプラズモンで制御する能力を実証するデバイスを作成しました。この斬新な技術提案の詳細を理解するために、私たちはデ・ロス・サントスに話を聞きました。

プラズモンコンピューティングの仕組み

IEEEスペクトル: プラズモンコンピューティングのアイデアはどのようにして思いついたのですか?

聖徒たちより: 私がプラズモンコンピューティングのアイデアを思いついたのは 2009 年頃で、CMOS ロジックの分野の方向性を観察していました。特に、彼らは、トランジスタのサイズを縮小することによって、特定の領域にさらに多くのトランジスタを詰め込み、それによって性能を向上させるダウンスケーリングのパラダイムに従っていました。しかし、そのパラダイムに最後まで従うと、デバイスのサイズが小さくなるにつれて、リークだけでなく量子力学的効果も影響するようになります。デバイスが非常に小さい場合、ショート チャネル効果と呼ばれる多くの効果が影響し、消費電力の増加として現れます。

そこで私は、「CMOS で使用されているのと同じ製造技術を使用しながら、つまり現在のインフラストラクチャを活用しながら、ロジック デバイスのパフォーマンスを向上させるというこの問題をどのように解決できるでしょうか?」と考え始めました。私は流体を使用する流体論理と呼ばれる古い論理パラダイムに出会いました。たとえば、他の空気ジェットによって方向が影響を受ける空気ジェットは、論理関数を実装できます。そこで私は、流体として空気を使用する代わりに、局在電子電荷密度波、つまりプラズモンを使用する、これに似たパラダイムを実装してはどうかというアイデアを思いつきました。電子ではなく、電子の乱れです。

そして、ほとんどの人が知っているように、AI は非常に多くの電力を消費するため、今は非常に適切なタイミングです。消費電力の問題をどう解決するかについて人々は壁にぶつかっていますが、現在のテクノロジーではその問題を解決することはできません。

プラズモンとは正確には何ですか?

聖徒たちより: プラズモンは基本的に電子密度の乱れです。電子の海と呼ばれるものがある場合、水の池を想像することができます。表面を乱すと波が生まれます。そして、この波、つまり水面のうねりが水中を伝播していきます。これはプラズモンとほぼ完璧に類似しています。プラズモンの場合は、電子の海があります。そして、小石や木片を使って水面をたたき、伝播する波を作り出すのではなく、電磁波でこの電子の海をたたきます。

プラズモンは、従来の CMOS ロジックのスケーリング問題をどのように克服できると期待されますか?

聖徒たちより: 池に小石を投げるたとえ話に戻ります。この種の混乱を引き起こすには、非常に低いエネルギーしか必要としません。プラズモンを励起するエネルギーはアトジュール以下のオーダーです。そして、あなたが生み出す妨害は非常に速く伝播します。外乱は粒子よりも速く伝播します。プラズモンは、それを生成する電磁波、つまり媒体中の光の速度と同調して伝播します。したがって、本質的に、その動作方法は現在のテクノロジーと比較して非常に高速で、非常に低消費電力です。

それに加えて、現在の CMOS テクノロジーは、使用していなくても電力を消費します。ここでは、そうではありません。伝播する波が存在しない場合、電力損失は存在しません。

プラズモンを使った論理演算はどのように行うのでしょうか?

聖徒たちより: 長くて細いワイヤーを Y 字の形にパターン化します。Y 字の根元でプラズモンを発生させます。これをバイアスプラズモンと呼びます、これがビットです。何もしなければ、このプラズモンは接合点に到達すると 2 つに分裂するため、Y の出力では 2 つの等しい電界強度が検出されます。

ここで、Y ジャンクションで、入力ワイヤに対して別のワイヤを斜めに適用すると想像してください。その新しいワイヤーに沿って、制御プラズモンと呼ばれる別のプラズモンを送ります。制御プラズモンを使用して、元のバイアス プラズモンを Y の一方の脚にリダイレクトできます。

プラズモンは電荷の乱れであり、2 つのプラズモンは同じ性質を持っています。両方とも正であるか、両方とも負です。したがって、結合点に強制的に収束させると、それらは互いに反発します。そして、ジャンクションに衝突する制御プラズモンの角度を制御することで、ジャンクションから出てくるプラズモンの角度を制御できます。そうすることで、あるプラズモンを別のプラズモンに誘導することができます。制御プラズモンは単に入ってくるプラズモンを結合するだけなので、片方の脚の電圧が 2 倍になります。

これを両側から行うことができ、ジャンクションのどちらかの側にワイヤと制御プラズモンを追加して、プラズモンを Y のどちらかの脚にリダイレクトして、0 または 1 を与えることができます。

プラズモンベースのロジックデバイスの構築

あなたはこの Y 字路デバイスを構築し、2024 年にプラズモンを片側に誘導することを実証しました。このデバイスとその動作について説明できますか?

聖徒たちより: Y字路デバイスは約5マス [micrometers]。 Y は、酸化物の上、半導体ウェーハの上、グランドプレーンの上にある金属で構成されています。ここで、酸化物とウェーハの間に電荷密度を生成する必要があります。これは電子の海です。これを行うには、Y の金属とグランド プレーンの間に DC 電圧を印加し、静的な電子の海を生成します。次に、入ってくる電磁波が再び金属とグランドプレーンの間に衝突します。電磁波が静電荷密度に達すると、そこにあった電子の海が局所的な電子電荷密度の乱れ、つまりプラズモンを発生させます。

さて、プラズモンを単独で発射すると、すぐに消えてしまいます。あまり遠くまでは伝わりません。 私の設定では、プラズモンが生き残る理由は、プラズモンが再生されているためです。電磁場が伝播するにつれて、プラズモンが再生され続け、そのフロントエンドで新しいプラズモンが生成されます。

完全なコンピューター ロジックを実装する前に、何をする必要がありますか?

聖徒たちより: 私は部分的なデバイス、つまり 2 つのプラズモンの相互作用を実証しました。次のステップは、2 つの制御装置を備えた完全なデバイスをデモンストレーションおよび製造することです。それが完了したら、次のステップではそれらを連結して全加算器を作成します。これが基本的なコンピューティング ロジック コンポーネントだからです。

今後の主な課題は何だと思いますか?

聖徒たちより: 主な課題は、このテクノロジーが電流の流れに基づく今日のロジックデバイスのパラダイムに従っていないことだと思います。これは波の流れに基づいています。人は他のものに慣れているため、デバイスを理解するのが難しい場合があります。このデバイスにまとめられたさまざまな概念は、主流のテクノロジーでは通常採用されておらず、本質的に学際的なものです。金属酸化物半導体の物理学、次に電磁波、そして場の量子論について知る必要があります。デバイスを理解するための知識ベースが 1 つの頭の中に存在することはほとんどありません。おそらく次のステップは、よりアクセスしやすくすることです。人々に仕事のスポンサーになってもらい、それを理解してもらうのは難しいことであり、実際の実装はそうではありません。実際には製造上の制限はありません。

しかし、私の意見では、通常のアプローチは 2 つの理由から無駄になると考えています。まず、これらは可逆的ではないため、計算中に情報が失われ、エネルギー損失が発生します。第 2 に、デバイスが縮小するとエネルギー散逸が増加し、乗り越えられない障壁が生じます。対照的に、プラズモン計算は本質的に可逆的であり、スイッチング中にエネルギーを消費する基本的な理由はありません。