全球第一個(gè)基于二維半導(dǎo)體材料的內(nèi)存處理器

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 CO 2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《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，即所謂的“處理器”。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 1,000 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。

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、對(duì)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，其中包含既可以用作內(nèi)存也可以用作晶體管的元件，”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。

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 1,024 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 MoS 2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。

材料 MoS 2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，MoS 2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，MoS 2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 1,000 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，我們現(xiàn)在可以生產(chǎn)覆蓋有均勻 MoS 2 均質(zhì)層的整個(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，為大規(guī)模生產(chǎn)打開了大門?！盞is 說道。

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。

“與此同時(shí)，它表明在瑞士開展的工作如何能夠使歐盟受益，因?yàn)闅W盟尋求重振電子制造。例如，歐盟可以專注于開發(fā)非馮·諾依曼技術(shù)，而不是與其他國(guó)家進(jìn)行同樣的競(jìng)賽。”他總結(jié)道。

審核編輯：劉清