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，通過將數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)集成到單個(gè)設(shè)備上來解決這種低效率問題。 所謂的內(nèi)存處理器。 他們開辟了新天地，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)。 具體來說，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)中無處不在。 其效率的提高可以為整個(gè) ICT 行業(yè)帶來大量的能源節(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。 “通過設(shè)置每個(gè)晶體管的電導(dǎo)率，我們可以通過向處理器施加電壓并測(cè)量輸出來一步執(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 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)打開了大門。”Kis 說道。

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。

“與此同時(shí)，它表明在瑞士開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。 通過定義自己的種族，非洲大陸可以搶占先機(jī)，確保未來的強(qiáng)勢(shì)地位。”他總結(jié)道。