計(jì)算領(lǐng)域的里程碑：擁有 1000 多個(gè)晶體管的 2D 內(nèi)存處理器

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

當(dāng)信息和通信技術(shù) (ICT) 處理數(shù)據(jù)時(shí)，它們會(huì)將電能轉(zhuǎn)化為熱量。 如今，全球 ICT 生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳足跡已與航空業(yè)相媲美。 然而事實(shí)證明，計(jì)算機(jī)處理器消耗的大部分能量并沒(méi)有用于執(zhí)行計(jì)算。 相反，用于處理數(shù)據(jù)的大部分能量都花在了內(nèi)存和處理器之間的字節(jié)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(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)集成到單個(gè)設(shè)備上來(lái)解決這種低效率問(wèn)題。 所謂的內(nèi)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(dǎo)體材料的內(nèi)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(dǎo)者 Andras Kis 表示，當(dāng)今 CPU 效率低下的罪魁禍?zhǔn)资瞧毡椴捎玫鸟T·諾依曼架構(gòu)。 具體來(lái)說(shuō)，用于執(zhí)行計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的組件的物理分離。 由于這種分離，處理器需要從內(nèi)存中檢索數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行計(jì)算，這涉及移動(dòng)電荷、電容器充電和放電以及沿線路傳輸電流，所有這些都會(huì)消耗能量。

直到大約 20 年前，這種架構(gòu)才有意義，因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理需要不同類型的設(shè)備。 但馮諾依曼架構(gòu)越來(lái)越受到更高效替代方案的挑戰(zhàn)。 “如今，人們正在不斷努力將存儲(chǔ)和處理合并到更通用的內(nèi)存處理器中，其中包含既可用作內(nèi)存又可用作晶體管的元件，”Kis 解釋道。 他的實(shí)驗(yàn)室一直在探索使用半導(dǎo)體材料二硫化鉬 (MoS2) 來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法。

一種新的二維處理器架構(gòu)

LANES 博士助理 Guilherme Migliato Marega 及其合著者在《自然電子》論文中提出了一種基于 MoS2 的內(nèi)存處理器，專用于數(shù)據(jù)處理中的基本運(yùn)算之一：向量矩陣乘法。 這種操作在數(shù)字信號(hào)處理和人工智能模型的實(shí)現(xiàn)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(jié)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)?xùn)艠O，用于在其存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)電荷，以控制每個(gè)晶體管的導(dǎo)電性。 以這種方式耦合處理和內(nèi)存從根本上改變了處理器執(zhí)行計(jì)算的方式。 “通過(guò)設(shè)置每個(gè)晶體管的電導(dǎo)率，我們可以通過(guò)向處理器施加電壓并測(cè)量輸出來(lái)一步執(zhí)行模擬矢量矩陣乘法，”Kis 解釋道。

距離實(shí)際應(yīng)用又近了一大步

材料 MoS2 的選擇在內(nèi)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(dǎo)體——這是晶體管發(fā)展的要求。 與當(dāng)今計(jì)算機(jī)處理器中使用最廣泛的半導(dǎo)體硅不同，MoS2 形成穩(wěn)定的單層，只有三個(gè)原子厚，僅與周圍環(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(shè)備的潛力。 最后，這是基斯實(shí)驗(yàn)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，他們的流程已顯著成熟，其中 Migliato Marega 的貢獻(xiàn)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(xiàn)在可以生產(chǎn)覆蓋均勻 MoS2 均勻?qū)拥恼麄€(gè)晶圓。 這讓我們能夠采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)集成電路，并將這些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為物理電路，從而為大規(guī)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(rèn)為這一結(jié)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(qiáng)歐洲在半導(dǎo)體技術(shù)和芯片領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力和彈性。 應(yīng)用程序。 “歐盟的資金對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目和之前的項(xiàng)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(xiàng)目，這表明它對(duì)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，歐盟可以專注于為人工智能加速器和其他新興應(yīng)用開(kāi)發(fā)非馮·諾依曼處理架構(gòu)，而不是與其他人進(jìn)行同樣的競(jìng)賽。 通過(guò)定義自己的種族，非洲大陸可以搶占先機(jī)，確保未來(lái)的強(qiáng)勢(shì)地位?！彼偨Y(jié)道。