計算領(lǐng)域的里程碑：擁有 1000 多個(gè)晶體管的 2D 內存處理器

由 EPFL 研究人員開(kāi)發(fā)的首款使用 2D 半導體材料的大型內存處理器可以大幅減少 ICT 行業(yè)的能源足跡。

當信息和通信技術(shù) (ICT) 處理數據時(shí)，它們會(huì )將電能轉化為熱量。 如今，全球 ICT 生態(tài)系統的二氧化碳足跡已與航空業(yè)相媲美。 然而事實(shí)證明，計算機處理器消耗的大部分能量并沒(méi)有用于執行計算。 相反，用于處理數據的大部分能量都花在了內存和處理器之間的字節傳輸上。

在 11 月 13 日《自然電子》雜志上發(fā)表的一篇論文中，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院納米電子與結構實(shí)驗室 (LANES) 工程學(xué)院的研究人員提出了一種新處理器，通過(guò)將數據處理和存儲集成到單個(gè)設備上來(lái)解決這種低效率問(wèn)題。 所謂的內存處理器。 他們開(kāi)辟了新天地，創(chuàng )造了第一個(gè)基于二維半導體材料的內存處理器，包含 1000 多個(gè)晶體管，這是工業(yè)生產(chǎn)道路上的一個(gè)重要里程碑。

馮·諾依曼的遺產(chǎn)

該研究的領(lǐng)導者 Andras Kis 表示，當今 CPU 效率低下的罪魁禍首是普遍采用的馮·諾依曼架構。 具體來(lái)說(shuō)，用于執行計算和存儲數據的組件的物理分離。 由于這種分離，處理器需要從內存中檢索數據來(lái)執行計算，這涉及移動(dòng)電荷、電容器充電和放電以及沿線(xiàn)路傳輸電流，所有這些都會(huì )消耗能量。

直到大約 20 年前，這種架構才有意義，因為數據存儲和處理需要不同類(lèi)型的設備。 但馮諾依曼架構越來(lái)越受到更高效替代方案的挑戰。 “如今，人們正在不斷努力將存儲和處理合并到更通用的內存處理器中，其中包含既可用作內存又可用作晶體管的元件，”Kis 解釋道。 他的實(shí)驗室一直在探索使用半導體材料二硫化鉬 (MoS2) 來(lái)實(shí)現這一目標的方法。

一種新的二維處理器架構

LANES 博士助理 Guilherme Migliato Marega 及其合著(zhù)者在《自然電子》論文中提出了一種基于 MoS2 的內存處理器，專(zhuān)用于數據處理中的基本運算之一：向量矩陣乘法。 這種操作在數字信號處理和人工智能模型的實(shí)現中無(wú)處不在。 其效率的提高可以為整個(gè) ICT 行業(yè)帶來(lái)大量的能源節約。

他們的處理器將 1024 個(gè)元件組合到一個(gè)一厘米的芯片上。 每個(gè)元件都包含一個(gè) 2D MoS2 晶體管以及一個(gè)浮動(dòng)柵極，用于在其存儲器中存儲電荷，以控制每個(gè)晶體管的導電性。 以這種方式耦合處理和內存從根本上改變了處理器執行計算的方式。 “通過(guò)設置每個(gè)晶體管的電導率，我們可以通過(guò)向處理器施加電壓并測量輸出來(lái)一步執行模擬矢量矩陣乘法，”Kis 解釋道。

距離實(shí)際應用又近了一大步

材料 MoS2 的選擇在內存處理器的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。 首先，MoS2 是一種半導體——這是晶體管發(fā)展的要求。 與當今計算機處理器中使用最廣泛的半導體硅不同，MoS2 形成穩定的單層，只有三個(gè)原子厚，僅與周?chē)h(huán)境發(fā)生微弱的相互作用。 它的薄度提供了生產(chǎn)極其緊湊的設備的潛力。 最后，這是基斯實(shí)驗室熟悉的材料。 2010 年，他們使用透明膠帶從晶體上剝離的單層材料創(chuàng )建了第一個(gè)單 MoS2 晶體管。

在過(guò)去 13 年中，他們的流程已顯著(zhù)成熟，其中 Migliato Marega 的貢獻發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 “從單個(gè)晶體管發(fā)展到超過(guò) 1000 個(gè)晶體管的關(guān)鍵進(jìn)步在于我們可以沉積的材料的質(zhì)量。 經(jīng)過(guò)大量工藝優(yōu)化后，我們現在可以生產(chǎn)覆蓋均勻 MoS2 均勻層的整個(gè)晶圓。 這讓我們能夠采用行業(yè)標準工具在計算機上設計集成電路，并將這些設計轉化為物理電路，從而為大規模生產(chǎn)打開(kāi)了大門(mén)?！盞is 說(shuō)道。

振興歐洲芯片制造

除了純粹的科學(xué)價(jià)值外，基斯還認為這一結果證明了瑞士和歐盟之間密切科學(xué)合作的重要性，特別是在《歐洲芯片法案》的背景下，該法案旨在增強歐洲在半導體技術(shù)和芯片領(lǐng)域的競爭力和彈性。 應用程序。 “歐盟的資金對于這個(gè)項目和之前的項目都至關(guān)重要，包括為第一個(gè) MoS2 晶體管的工作提供資金的項目，這表明它對瑞士有多么重要，”基斯說(shuō)。

“與此同時(shí)，它表明在瑞士開(kāi)展的工作如何能夠使歐盟在尋求重振電子制造方面受益。 例如，歐盟可以專(zhuān)注于為人工智能加速器和其他新興應用開(kāi)發(fā)非馮·諾依曼處理架構，而不是與其他人進(jìn)行同樣的競賽。 通過(guò)定義自己的種族，非洲大陸可以搶占先機，確保未來(lái)的強勢地位?！彼偨Y道。