Обрабатывая данные, информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) преобразуют электроэнергию в тепло. Уже сегодня выбросы CO 2 глобальной экосистемы ИКТ соперничают с выбросами авиации. Однако оказывается, что большая часть энергии, потребляемой компьютерными процессорами, не идет на выполнение вычислений. Вместо этого большая часть энергии, используемой для обработки данных, тратится на пересылку байтов между памятью и процессором.
В статье, опубликованной в журнале Nature Electronics , исследователи из Инженерной школы EPFL в Лаборатории наноразмерной электроники и структур (LANES) представляют новый процессор, который устраняет эту неэффективность путем интеграции обработки и хранения данных в одном устройстве, так называемом процессор в памяти.
Они открыли новые горизонты, создав первый процессор оперативной памяти на основе двумерного полупроводникового материала , содержащий более 1000 транзисторов, что стало ключевой вехой на пути к промышленному производству.
Наследие фон Неймана
По словам Андраша Киса, руководившего исследованием, основной причиной неэффективности современных процессоров является общепринятая архитектура фон Неймана. В частности, физическое разделение компонентов, используемых для выполнения вычислений и хранения данных. Из-за такого разделения процессорам необходимо извлекать данные из памяти для выполнения вычислений, которые включают в себя перемещение электрических зарядов, зарядку и разрядку конденсаторов и передачу токов по линиям — все это рассеивает энергию.
Еще около 20 лет назад такая архитектура имела смысл, поскольку для хранения и обработки данных требовались разные типы устройств. Но архитектуре фон Неймана все чаще бросают вызов более эффективные альтернативы.
«Сегодня продолжаются попытки объединить хранение и обработку в более универсальные процессоры в памяти, содержащие элементы, которые работают и как память, и как транзистор», — объясняет Кис. Его лаборатория изучает способы достижения этой цели с использованием дисульфида молибдена (MoS 2 ), полупроводникового материала.
Новая двумерная архитектура процессора
В своей статье о Nature Electronics Гильерме Мильято Марега, научный сотрудник LANES, и его соавторы представляют процессор в памяти на основе MoS 2 , предназначенный для одной из фундаментальных операций обработки данных : умножения векторных матриц. Эта операция широко распространена в цифровой обработке сигналов и реализации моделей искусственного интеллекта. Повышение эффективности может привести к существенной экономии энергии во всем секторе ИКТ.
Их процессор объединяет 1024 элемента в чипе размером один на один сантиметр. Каждый элемент содержит 2D-транзистор MoS 2 , а также плавающий затвор, используемый для хранения заряда в памяти, который контролирует проводимость каждого транзистора. Такое объединение обработки и памяти фундаментально меняет способ выполнения вычислений процессором.
«Установив проводимость каждого транзистора, мы можем выполнить аналоговое умножение векторной матрицы за один шаг, подавая напряжение на наш процессор и измеряя выходной сигнал», — объясняет Кис.
Большой шаг к практическому применению
Выбор материала — MoS 2 — сыграл жизненно важную роль в разработке процессора оперативной памяти . Во-первых, MoS 2 — это полупроводник, что необходимо для разработки транзисторов. В отличие от кремния, наиболее широко используемого полупроводника в современных компьютерных процессорах , MoS 2 образует стабильный монослой толщиной всего в три атома, который лишь слабо взаимодействует с окружением.
Его тонкость дает возможность производить чрезвычайно компактные устройства. Наконец, этот материал хорошо известен в лаборатории Киса. В 2010 году они создали свой первый одиночный транзистор MoS 2 , используя монослой материала, снятый с кристалла скотчем.
За последние 13 лет их процессы существенно усовершенствовались, при этом вклад Мильято Мареги сыграл ключевую роль. «Ключевым достижением в переходе от одного транзистора к более чем 1000 стало качество материала, который мы можем нанести. После значительной оптимизации процесса мы теперь можем производить целые пластины, покрытые однородным слоем однородного MoS 2 . Это позволяет нам принять стандартные отраслевые инструменты для проектирования интегральных схем на компьютере и преобразовать эти конструкции в физические схемы, открывая путь к массовому производству», — говорит Кис.
Оживление европейского производства чипов
Помимо чисто научной ценности, Киш рассматривает этот результат как свидетельство важности тесного научного сотрудничества между Швейцарией и ЕС, особенно в контексте Европейского закона о чипах, который направлен на повышение конкурентоспособности и устойчивости Европы в области полупроводниковых технологий и Приложения.
«В то же время это показывает, как работа, проводимая в Швейцарии, может принести пользу ЕС, поскольку он стремится оживить производство электроники. Вместо того, чтобы участвовать в той же гонке, что и все остальные, ЕС мог бы, например, сосредоточиться на разработке не фон Неймановских технологий. «Определив свою собственную расу, континент сможет получить преимущество, чтобы обеспечить себе сильные позиции в будущем», — заключает он.
