Creating a new paradigm of technology / Creare un nuovo paradigma di tecnologia
Creating a new paradigm of technology / Creare un nuovo paradigma di tecnologia
“Hundreds of PhD holders gather here with one goal — to develop groundbreaking yet commercially viable technology. I feel truly fortunate to be able to discuss new and emerging knowledge with top experts every day,” says Sungwoo Hwang, president of the Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), a R&D arm of Samsung Electronics, established in 1987.
With a research domain covering artificial intelligence, semiconductors, and new devices and materials, SAIT has already brought a number of revolutionary technologies to market, such as quantum dot-based screens in TVs featuring vivid colours and high resolutions, and voice and face recognition software, as well as neural processing units (NPUs) on Samsung phones.
While SAIT’s main mission is to develop practical innovations for Samsung’s business division, Hwang says the institute is not afraid to dream big. “We hope some of our innovations will become standard technology in the future,” he says.
Sustainability is a priority on SAIT’s agenda — looking after the future, not just from an environmental perspective, but also in the arena of human health. A series of non-invasive, wearable sensors is being developed that could transform disease detection and management, and save lives.
At the same time, SAIT’s moonshot projects include a scheme to revolutionize research by harnessing artificial intelligence and robotics for R&D.
Mimicking the brain at a network level
SAIT is also working on an artificial electronic brain that copies biological synaptic organization to create an unprecedented neuromorphic electronic platform that exhibits the unique capabilities of the human brain.
“The digital ANN (Artificial Neural Net) processor is a calculator — it handles big data well, unlike the brain,” says Donhee Ham, a Samsung Fellow and a professor of applied physics and electrical engineering at Harvard University who is leading the project. “The brain, being a chemical machine, works very differently from the ANN. It has the advantage of low power requirements and excels at tasks such as fast learning and cognition — areas where the ANN falls short,” he adds.
An artificial electronic brain that brings alive the unique network capabilities of the biological one will add a new dimension to machine intelligence. “Developing such an artificial brain, by harnessing neurobiology and memory technology, is our goal,” says Ham.
Ham has worked with Hongkun Park, a professor of chemistry and physics at Harvard, to map the synaptic connectivity of the biological neuronal network. This collaboration has culminated in an array of approximately 4,000 vertical nanoelectrodes controlled by an underlying complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) chip. The array was able to perform a highly sensitive intracellular recording from approximately 1,700 rat neurons, from which the team developed a map of about 300 excitatory and inhibitory synapses.
“This massive parallelization of intracellular recording has been an outstanding challenge in neurobiology. The scale this new ability enables in functional synaptic connectivity mapping is unprecedented and it can still be drastically enhanced,” Ham says.
Ham now seeks to use intracellular recording data to drive a non-volatile memory network to download the synaptic connectivity map.
“Certain memories can learn the time correlations of the signals that drive them. We can exploit this to wire the synaptic connectivity, hidden in time correlations of the intracellularly recorded signals, into a memory network. This may one day create a better approximation of the brain’s unique traits.”
AI set for material breakthroughs
The institute is also working on autonomous R&D, concentrating on autonomous material development (AMD). SAIT is working on an AI algorithm that after learning from experimental data sets, will be capable of driving robot synthesis tools.
“In about 10 to 20 years, SAIT hopes to reach the point where all the synthesis can be done by machine and human researchers can instead focus on things that require superior creativity,” Hwang says.
“It’s a promising way to sift through the many possible combinations of elements in different configurations for new materials, a task that would present a huge analysis challenge for humans,” says InTaek Han, SAIT senior vice president, who is leading the AMD project.
“AI can utilize enormous datasets in a very short time and search unexplored experimental spaces that humans would have never considered,” Han says.
The boost from the AI platform will add to an already impressive output of materials research successes — centred around quantum dots, 2D materials, and other nanostructures — from Han’s team.
Quantum dots become commercial reality
Samsung Electronics’ QLED TV, using cadmium-free quantum dot backlight hit the market in 2015, in an industry-first, featuring ‘immersive colour quality’ and the ‘largest colour volume’. Its superb image quality stems from the extremely sharp colour spectrum through use of the quantum dot, and continues to be refined.
Samsung Fellow, Eunjoo Jang, was involved in the 20-year development of quantum dot technology and says that successfully including the technology in a commercial product was a symbolic breakthrough. “It was not just a technical advance in picture quality for TV, but proof of the realization of nanotechnology-driven consumer products.”
“When commercial QD products from our research finally came out in the market, something that had never been done by others, it was a fantastic feeling,” she says.
Quantum dots have wider potential, for example in optoelectronic applications such as photovoltaics and sensors, Jang says.
“We have been intensively studying electroluminescence from quantum dots, which could be another leading technology within 10 years.”
Big impact through small dimensions
As well as improving image quality, miniaturization is a key challenge in other growth areas, such as semiconductor performance and battery power density, says InTaek Han.
“Materials are one of the key solutions to overcome the physical limits of electronic devices. The performances of electronic components are approaching the theoretical or practical limits in dimension,” Han says.
Han’s team is looking to replace traditional silicon-based technology with two-dimensional materials such as graphene, which can support a higher memory density and faster processing. They have already had success extending the area of graphene layers up to the scale of computer chips, by demonstrating the fabrication of ‘barristor’ arrays on a silicon wafer.
A new material on Han’s radar is amorphous boron nitride (a-BN). “The amorphous phase was made by chance by a SAIT and Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) research team, during experiments with crystalline boron nitride. It wasn’t discarded even though it didn’t look good,” Han says.
When measuring the a-BN’s electrical properties, however, the team found it had an ultra-low dielectric constant of 1.78 with robust electrical and mechanical properties. The finding was published in Nature in June 2020.
SAIT material researchers are also using nanotechnology to create innovative battery technologies.
In 2017, for example, they successfully used graphene balls — a silica nanoparticle centre, with surrounding graphene layers, forming a three-dimensional (3D) popcorn-like structure — for charge storage in the active anode of lithium batteries increasing energy density by 40%.
The latest move, however, is beyond lithium batteries towards ‘all solid-state batteries’, which replace a separator and liquid electrolyte with solid electrolyte.
“With all solid-state batteries it is possible to eliminate anode active material, resulting in energy densities more than 30% higher than the practical limit of lithium batteries” says Han.
Recent tests of SAIT’s all solid-state batteries with a sulfide electrolyte showed they could enable an electric vehicle to travel up to 800 kilometres on a single charge, and would have a lifespan of more than 1,000 charge cycles. SAIT is also expanding its research to include all solid-state batteries with oxide electrolytes, and lithium-air batteries.
Wearable, non-invasive sensors
Increasing the potential of electric vehicles is just one facet of sustainability in SAIT’s research. “SAIT naturally continues to engage in human sustainable technology development, believing that technological progress should coexist with humans,” says Sungwoo Hwang. Alongside the batteries, the cadmium-free quantum dots and low-energy electronic processors, SAIT is also working to transform healthcare.
SAIT vice-president, Jongae Park, says the institute’s wearable health sensors will trigger a paradigm shift from hospital-centric diagnosis and treatment to patient-centric management and prevention. “Personalized patient-centric medical services can be realized by genetic information, 24-hour bio-signal monitoring, big data analysis, and expert diagnosis and treatment,” Park says. “Wearable health sensors can provide much more information, including trend tracking during daily life, changes on a weekly/monthly basis, and intermittent symptoms without time and location constraints.”
A blood pressure sensor that uses a technique called pulse waveform analysis to measure blood pressure without a cuff has been a major success for SAIT. Park points out that pulse waveform analysis through data-based artificial intelligence combined with physiological analysis has parallels with traditional Asian medicine where practitioners used their finger to sense the rhythm and strength of a patient’s pulse to diagnose various diseases, non-invasively.
The non-invasive, cuffless blood pressure sensing technology has been applied to the Samsung Galaxy Watch series and was launched in South Korea in the form of the blood pressure monitor app in June 2020 in an industry-first. It also received clearance from South Korea’s Ministry of Food and Drug Safety in 2020.
Park’s team also has developed non-invasive blood glucose sensors. The sensors utilize an optical skin spectrum, shown to be effective in screening for diabetes. It does not require finger pricking to extract blood drops, which minimizes patient pain and discomfort — a long-standing dream in diabetes management.
“Many people are waiting for healthcare sensing technology to be commercialized. There are people who want to screen for arrhythmia, monitor daily blood pressure, or check blood glucose non-invasively, especially for kids’ diabetes, because they don’t want to have another painful experience,” says Park. “Every time people tell me these stories I feel a social responsibility beyond my research duties,” says Park.
ITALIANO
"Centinaia di dottorandi si riuniscono qui con un unico obiettivo: sviluppare una tecnologia innovativa ma praticabile dal punto di vista commerciale. Mi sento davvero fortunato a poter discutere ogni giorno di nuove ed emergenti conoscenze con i massimi esperti ”, afferma Sungwoo Hwang, presidente del Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), una divisione di R&S di Samsung Electronics, fondata nel 1987.
Con un dominio di ricerca che comprende intelligenza artificiale, semiconduttori e nuovi dispositivi e materiali, SAIT ha già introdotto sul mercato una serie di tecnologie rivoluzionarie, come schermi quantici basati su punti in TV con colori vividi e alte risoluzioni e software di riconoscimento vocale e del viso , nonché unità di elaborazione neurale (NPU) su telefoni Samsung.
Mentre la missione principale di SAIT è sviluppare innovazioni pratiche per la divisione aziendale di Samsung, Hwang afferma che l'istituto non ha paura di sognare in grande. "Speriamo che alcune delle nostre innovazioni diventino tecnologia standard in futuro", afferma.
La sostenibilità è una priorità nell'agenda del SAIT: occuparsi del futuro, non solo dal punto di vista ambientale, ma anche nell'arena della salute umana. È in fase di sviluppo una serie di sensori non invasivi e indossabili che potrebbero trasformare il rilevamento e la gestione delle malattie e salvare vite umane.
Allo stesso tempo, i progetti da sogno di SAIT includono uno schema per rivoluzionare la ricerca sfruttando l'intelligenza artificiale e la robotica per la ricerca e lo sviluppo.
Imitando il cervello a livello di rete
SAIT sta anche lavorando su un cervello elettronico artificiale che copia l'organizzazione sinaptica biologica per creare una piattaforma elettronica neuromorfa senza precedenti che esibisce le capacità uniche del cervello umano.
"Il processore digitale ANN (Artificial Neural Net) è una calcolatrice: gestisce bene i big data, a differenza del cervello", afferma Donhee Ham, Samsung Fellow e professore di fisica applicata e ingegneria elettrica presso l'Università di Harvard che guida il progetto. “Il cervello, essendo una macchina chimica, funziona in modo molto diverso dalla RNA. Ha il vantaggio di requisiti di bassa potenza ed eccelle in compiti come l'apprendimento rapido e la cognizione - aree in cui l'ANN non è all'altezza ”, aggiunge.
Un cervello elettronico artificiale che ravviva le capacità di rete uniche di quello biologico aggiungerà una nuova dimensione all'intelligenza artificiale. "Lo sviluppo di un cervello così artificiale, sfruttando la neurobiologia e la tecnologia della memoria, è il nostro obiettivo", afferma Ham.
Ham ha lavorato con Hongkun Park, professore di chimica e fisica ad Harvard, per mappare la connettività sinaptica della rete neuronale biologica. Questa collaborazione è culminata in una serie di circa 4.000 nanoelettrodi verticali controllati da un chip CMOS (complementare di ossido di metallo complementare) sottostante. L'array è stato in grado di eseguire una registrazione intracellulare altamente sensibile da circa 1.700 neuroni di ratto, da cui il gruppo ha sviluppato una mappa di circa 300 sinapsi eccitatorie e inibitorie.
“Questa massiccia parallelizzazione della registrazione intracellulare è stata una sfida eccezionale in neurobiologia. La scala che questa nuova abilità consente nella mappatura sinaptica funzionale della connettività non ha precedenti e può ancora essere drasticamente migliorata ", afferma Ham.
Ham ora cerca di utilizzare i dati di registrazione intracellulari per guidare una rete di memoria non volatile per scaricare la mappa di connettività sinaptica.
“Alcuni ricordi possono apprendere le correlazioni temporali dei segnali che li guidano. Possiamo sfruttare questo per collegare la connettività sinaptica, nascosta nelle correlazioni temporali dei segnali registrati intracellularmente, in una rete di memoria. Questo potrebbe un giorno creare una migliore approssimazione dei tratti unici del cervello ".
AI impostato per scoperte materiali
L'istituto sta inoltre lavorando su ricerca e sviluppo autonomi, concentrandosi sullo sviluppo di materiali autonomi (AMD). SAIT sta lavorando ad un algoritmo AI che, dopo aver appreso da set di dati sperimentali, sarà in grado di guidare strumenti di sintesi robotica.
"In circa 10 o 20 anni, SAIT spera di arrivare al punto in cui tutta la sintesi può essere fatta dalla macchina e i ricercatori umani possono invece concentrarsi su cose che richiedono una creatività superiore", afferma Hwang.
"È un modo promettente per vagliare le molte possibili combinazioni di elementi in diverse configurazioni per nuovi materiali, un compito che costituirebbe una grande sfida di analisi per gli esseri umani", afferma InTaek Han, vicepresidente senior di SAIT, a capo del progetto AMD.
"L'intelligenza artificiale può utilizzare enormi set di dati in pochissimo tempo e cercare spazi sperimentali inesplorati che gli umani non avrebbero mai considerato", afferma Han.
Il potenziamento della piattaforma di intelligenza artificiale aggiungerà un risultato già impressionante di successi nella ricerca sui materiali - incentrati su punti quantici, materiali 2D e altre nanostrutture - dal team di Han.
I punti quantici diventano realtà commerciale
La TV QLED di Samsung Electronics, che utilizza la retroilluminazione quantica senza cadmio, è stata lanciata sul mercato nel 2015, in una prima del settore, con "qualità del colore immersiva" e "il più grande volume di colore". La sua superba qualità d'immagine deriva dallo spettro di colori estremamente nitido attraverso l'uso del punto quantico e continua ad essere perfezionata.
Samsung Fellow, Eunjoo Jang, è stato coinvolto nello sviluppo ventennale della tecnologia dei punti quantici e afferma che includere con successo la tecnologia in un prodotto commerciale è stata una svolta simbolica. "Non è stato solo un progresso tecnico nella qualità delle immagini per la TV, ma una prova della realizzazione di prodotti di consumo basati sulle nanotecnologie".
"Quando i prodotti QD commerciali della nostra ricerca sono finalmente usciti sul mercato, qualcosa che non era mai stato fatto da altri, è stata una sensazione fantastica", afferma.
I punti quantici hanno un potenziale più ampio, ad esempio in applicazioni optoelettroniche come il fotovoltaico e i sensori, afferma Jang.
"Abbiamo studiato intensamente l'elettroluminescenza da punti quantici, che potrebbe essere un'altra tecnologia leader entro 10 anni."
Grande impatto attraverso dimensioni ridotte
Oltre a migliorare la qualità dell'immagine, la miniaturizzazione è una sfida chiave in altre aree di crescita, come le prestazioni dei semiconduttori e la densità di carica della batteria, afferma InTaek Han.
“I materiali sono una delle soluzioni chiave per superare i limiti fisici dei dispositivi elettronici. Le prestazioni dei componenti elettronici si stanno avvicinando ai limiti teorici o pratici della dimensione ", afferma Han.
Il gruppo di Han sta cercando di sostituire la tradizionale tecnologia a base di silicio con materiali bidimensionali come il grafene, che può supportare una maggiore densità di memoria e un'elaborazione più rapida. Hanno già avuto successo estendendo l'area degli strati di grafene fino alla scala dei chip del computer, dimostrando la fabbricazione di matrici "barristor" su un wafer di silicio.
Un nuovo materiale sul radar di Han è il nitruro di boro amorfo (a-BN). “La fase amorfa è stata fatta per caso da un gruppo di ricerca SAIT e Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia di Ulsan (UNIST), durante esperimenti con nitruro di boro cristallino. Non è stato scartato anche se non sembrava buono ", dice Han.
Durante la misurazione delle proprietà elettriche di a-BN, tuttavia, il gruppo ha scoperto che aveva una costante dielettrica bassissima di 1,78 con solide proprietà elettriche e meccaniche. La scoperta è stata pubblicata su Nature nel giugno 2020.
I ricercatori sui materiali SAIT stanno inoltre utilizzando la nanotecnologia per creare tecnologie innovative per le batterie.
Nel 2017, ad esempio, hanno usato con successo sfere di grafene - un centro di nanoparticelle di silice, con strati di grafene circostanti, formando una struttura tridimensionale (3D) simile a popcorn - per immagazzinare nell'anodo attivo di batterie al litio aumentando la densità energetica di 40 %.
L'ultima mossa, tuttavia, va oltre le batterie al litio verso "tutte le batterie a stato solido", che sostituiscono un separatore e un elettrolita liquido con un elettrolita solido.
"Con tutte le batterie a stato solido è possibile eliminare il materiale attivo anodico, con una densità di energia superiore di oltre il 30% rispetto al limite pratico delle batterie al litio", afferma Han.
I recenti test di tutte le batterie a stato solido di SAIT con un elettrolita di solfuro hanno dimostrato che potrebbero consentire a un veicolo elettrico di percorrere fino a 800 chilometri con una singola carica e avere una durata di oltre 1.000 cicli di carica. SAIT sta inoltre espandendo la sua ricerca per includere tutte le batterie a stato solido con elettroliti di ossido e batterie al litio-aria.
Sensori indossabili, non invasivi
Aumentare il potenziale dei veicoli elettrici è solo uno degli aspetti della sostenibilità nella ricerca di SAIT. "Il SAIT continua naturalmente a impegnarsi nello sviluppo di tecnologie umane sostenibili, ritenendo che il progresso tecnologico debba coesistere con gli umani", afferma Sungwoo Hwang. Oltre alle batterie, ai punti quantici privi di cadmio e ai processori elettronici a bassa energia, SAIT sta anche lavorando per trasformare l'assistenza sanitaria.
Il vicepresidente del SAIT, Jongae Park, afferma che i sensori di salute indossabili dell'istituto innescheranno un passaggio di paradigma dalla diagnosi e dal trattamento incentrati sull'ospedale alla gestione e la prevenzione incentrate sul paziente. "I servizi medici personalizzati incentrati sul paziente possono essere realizzati mediante informazioni genetiche, monitoraggio dei bio-segnali 24 ore su 24, analisi dei big data e diagnosi e trattamento di esperti", afferma Park. "I sensori di salute indossabili possono fornire molte più informazioni, incluso il monitoraggio delle tendenze durante la vita quotidiana, i cambiamenti su base settimanale / mensile e i sintomi intermittenti senza vincoli di tempo e posizione."
Un sensore di pressione sanguigna che utilizza una tecnica chiamata analisi della forma d'onda del polso per misurare la pressione sanguigna senza bracciale è stato un grande successo per SAIT. Park sottolinea che l'analisi della forma d'onda del polso attraverso l'intelligenza artificiale basata su dati combinata con l'analisi fisiologica ha parallelismi con la medicina tradizionale asiatica in cui i professionisti hanno usato il dito per percepire il ritmo e la forza del polso di un paziente per diagnosticare varie malattie, non invasivamente.
La tecnologia non invasiva di rilevamento della pressione sanguigna senza bracciale è stata applicata alla serie Samsung Galaxy Watch ed è stata lanciata in Corea del Sud sotto forma di app per il monitoraggio della pressione sanguigna nel giugno 2020 in una prima del settore. Ha anche ricevuto l'autorizzazione dal Ministero della sicurezza alimentare e del farmaco della Corea del Sud nel 2020.
Il gruppo di Park ha anche sviluppato sensori di glicemia non invasivi. I sensori utilizzano uno spettro ottico della pelle, dimostrato di essere efficace nello screening per il diabete. Non richiede la puntura delle dita per estrarre le gocce di sangue, il che riduce al minimo il dolore e il disagio del paziente - un sogno di lunga data nella gestione del diabete.
“Molte persone stanno aspettando la commercializzazione della tecnologia di rilevamento sanitario. Ci sono persone che vogliono controllare l'aritmia, monitorare la pressione arteriosa quotidiana o controllare la glicemia in modo non invasivo, soprattutto per il diabete dei bambini, perché non vogliono avere un'altra esperienza dolorosa ", afferma Park. "Ogni volta che le persone mi raccontano queste storie, sento una responsabilità sociale al di là dei miei doveri di ricerca", afferma Park.
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