Uuden tutkimuksen mukaan uuden tyyppinen 3D-siru, jossa yhdistyvät kaksi huippuluokan nanoteknologiaa, voisi merkittävästi lisätä prosessorien nopeutta ja energiatehokkuutta.
Nykyisissä siruissa on erillinen muisti (joka tallentaa dataa) ja loogiset piirit (jotka käsittelevät dataa), ja data siirretään edestakaisin näiden kahden komponentin välillä toimintojen suorittamiseksi. Mutta muistin ja logiikkapiirien välisten yhteyksien rajoitetun määrän vuoksi tästä on tulossa merkittävä pullonkaula, etenkin siksi, että tietokoneiden odotetaan käsittelevän jatkuvasti kasvavia tietomääriä.
Aikaisemmin tämä rajoitus oli peitetty Mooren lain vaikutuksilla, joiden mukaan sirulle mahtuvien transistorien lukumäärä kaksinkertaistuu kahden vuoden välein ja siihen liittyvä suorituskyvyn kasvu. Mutta kun siruvalmistajat saavuttavat perustavat fyysiset rajoitukset pienten transistorien saamiseksi, tämä suuntaus on hidastunut.
Stanfordin yliopiston ja Massachusetts Institute of Technologyn suunnittelijoiden suunnittelema uusi prototyyppisiru käsittelee molemmat ongelmat samanaikaisesti kerrostamalla muisti- ja logiikkapiirejä toistensa päälle eikä vierekkäin.
Paitsi että tämä käyttää tilaa tehokkaasti, se myös lisää dramaattisesti komponenttien välisten yhteyksien pinta-alaa, tutkijat sanoivat. Tavanomaisella logiikkapiirillä olisi rajoitettu määrä tappeja molemmilla reunoilla datan siirtämiseksi; sitä vastoin tutkijat eivät rajoittuneet reunojen käyttöön ja he pystyivät pakaamaan tiiviisti pystysuuntaiset johdot, jotka kulkivat logiikkakerroksesta muistikerrokseen.
"Erillisellä muistilla ja tietojenkäsittelyllä siru on melkein kuin kaksi erittäin asuttua kaupunkia, mutta niiden välillä on hyvin vähän siltoja", tutkimusjohtaja Subhasish Mitra, Stanfordin sähkötekniikan ja tietotekniikan professori, kertoi Live Sciencelle. "Nyt emme ole vain yhdistäneet näitä kahta kaupunkia - olemme rakentaneet paljon enemmän siltoja, jotta liikenne voi kulkea paljon tehokkaammin niiden välillä."
Tämän lisäksi tutkijat käyttivät hiilinanoputkistransistoreista rakennettuja logiikkapiirejä yhdessä syntyvän tekniikan kanssa, jota kutsutaan resistiiviseksi hajasaantimuistiksi (RRAM), jotka molemmat ovat paljon energiatehokkaampia kuin piitekniikat. Tämä on tärkeää, koska tietokeskusten ylläpitämiseen tarvittava valtava energia on toinen suuri haaste teknologiayrityksille.
"Saadaksesi seuraavan 1000-kertaisen parannuksen laskennan suorituskykyyn energiatehokkuuden suhteen, mikä saa asiat ajamaan erittäin alhaisella energialla ja samaan aikaan asiat toimivat todella nopeasti, tämä on arkkitehtuuri, jota tarvitset", Mitra sanoi.
Vaikka molemmilla näillä uusilla nanoteknologioilla on luontaisia etuja perinteiseen piipohjaiseen tekniikkaan verrattuna, ne ovat myös olennainen osa uuden sirun 3D-arkkitehtuuria, tutkijat totesivat.
Syynä siihen, että nykypäivän sirut ovat 2D, johtuu siitä, että piitransistorien valmistaminen sirulle vaatii yli 1800 Fahrenheit-astetta (1000 celsiusastetta) lämpötiloja, mikä tekee mahdotonta piipiirien kerrostamista toistensa päälle vahingoittamatta pohjakerrosta, tutkijat totesivat .
Mutta sekä hiilinanoputkistransistorit että RRAM valmistetaan lämpötilassa, joka on viileämpi kuin 392 F (200 ° C), joten ne voidaan helposti kerrostaa piin päälle vahingoittamatta alla olevia piirejä. Tämä myös tekee tutkijoiden lähestymistavan yhteensopivaksi nykyisen sirunvalmistustekniikan kanssa, he sanoivat.
Monien kerrosten pinoaminen toistensa päälle voi johtaa ylikuumenemiseen, Mitra sanoi, koska ylimmät kerrokset ovat kaukana jäähdytyselementistä sirun juuressa. Mutta hän lisäsi, että tämän ongelman tulisi olla melko yksinkertainen suunnittelijalle, ja uuden tekniikan lisääntynyt energiatehokkuus tarkoittaa, että ensisijaisesti syntyy vähemmän lämpöä.
Projektin etujen osoittamiseksi ryhmä rakensi kaasunilmaisimen prototyypin lisäämällä sirun päälle uuden kerroksen hiilinanoputkipohjaisia antureita. Pystyintegraatio tarkoitti sitä, että kukin näistä antureista oli kytketty suoraan RRAM-soluun, mikä kasvatti dramaattisesti datan käsittelyn nopeutta.
Nämä tiedot siirrettiin sitten logiikkakerrokseen, joka toteutti koneoppimisalgoritmin, jonka avulla se pystyi erottamaan sitruunamehun, vodkan ja oluen höyryt.
Tämä oli kuitenkin vain demonstraatiota, Mitra sanoi, ja siru on erittäin monipuolinen ja sopii erityisen hyvin sellaisiin tietoraskaiden, syvien hermostoverkkojen lähestymistapoihin, jotka tukevat nykyistä tekoälyn tekniikkaa.
Kalifornian Berkeleyn yliopiston sähkötekniikan ja tietotekniikan professori Jan Rabaey, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, kertoi olevansa samaa mieltä.
"Nämä rakenteet saattavat olla erityisen sopivia vaihtoehtoisiin oppimispohjaisiin laskennallisiin paradigmoihin, kuten aivojen inspiroimiin järjestelmiin ja syviin hermostoverkkoihin, ja kirjoittajien esittämä lähestymistapa on ehdottomasti hyvä ensimmäinen askel tähän suuntaan", hän kertoi MIT News -lehdelle.
