Ένας νέος τύπος chip τρισδιάστατων υπολογιστών που συνδυάζει δύο νανοτεχνολογίες αιχμής θα μπορούσε να αυξήσει δραματικά την ταχύτητα και την ενεργειακή απόδοση των επεξεργαστών, σύμφωνα με νέα μελέτη.
Τα σημερινά μάρκες χωρίζουν τη μνήμη (η οποία αποθηκεύει τα δεδομένα) και τα λογικά κυκλώματα (τα οποία επεξεργάζονται τα δεδομένα) και τα δεδομένα μεταφέρονται μεταξύ αυτών των δύο στοιχείων για να εκτελέσουν λειτουργίες. Λόγω όμως του περιορισμένου αριθμού συνδέσεων μεταξύ κυκλωμάτων μνήμης και λογικής, αυτό γίνεται μια σημαντική συμφόρηση, ιδίως επειδή οι υπολογιστές αναμένεται να αντιμετωπίσουν όλο και μεγαλύτερο όγκο δεδομένων.
Προηγουμένως, ο περιορισμός αυτός καλύπτεται από τις συνέπειες του νόμου του Moore, σύμφωνα με τον οποίο ο αριθμός των τρανζίστορ που μπορούν να χωρέσουν σε ένα τσιπ διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια, με μια συνοδευτική αύξηση των επιδόσεων. Αλλά καθώς οι κατασκευαστές τσιπ χτύπησαν θεμελιώδη φυσικά όρια για το πόσο μικρά τρανζίστορ μπορούν να πάρουν, αυτή η τάση έχει επιβραδυνθεί.
Το νέο πρωτότυπο τσιπ, το οποίο σχεδιάστηκε από τους μηχανικούς του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, αντιμετωπίζει ταυτόχρονα και τα δύο προβλήματα με τη διαστρωμάτωση των μνημών και των λογικών κυκλωμάτων το ένα πάνω στο άλλο.
Όχι μόνο αυτό κάνει αποτελεσματική χρήση του χώρου, αλλά αυξάνει επίσης δραματικά την επιφάνεια για συνδέσεις μεταξύ των εξαρτημάτων, ανέφεραν οι ερευνητές. Ένα συμβατικό κύκλωμα λογικής θα έχει έναν περιορισμένο αριθμό ακίδων σε κάθε άκρο μέσω του οποίου θα μεταφέρονται δεδομένα. αντίθετα, οι ερευνητές δεν περιορίστηκαν στη χρήση ακμών και ήταν σε θέση να συσκευάσουν πυκνά κάθετα καλώδια που τρέχουν από το λογικό στρώμα στο στρώμα μνήμης.
"Με ξεχωριστή μνήμη και υπολογιστική, ένα τσιπ είναι σχεδόν σαν δύο πολύ πυκνοκατοικημένες πόλεις, αλλά υπάρχουν πολύ λίγες γέφυρες μεταξύ τους", δήλωσε η Living Subhasish Mitra, καθηγητής Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Πληροφορικής στο Stanford. "Τώρα, δεν έχουμε φέρει μόνο αυτές τις δύο πόλεις μαζί - έχουμε χτίσει πολλές περισσότερες γέφυρες έτσι κυκλοφορία μπορεί να πάει πολύ πιο αποτελεσματικά μεταξύ τους."
Επιπλέον, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λογικά κυκλώματα κατασκευασμένα από τρανζίστορ νανοσωλήνων άνθρακα, μαζί με μια αναδυόμενη τεχνολογία που ονομάζεται αντίσταση μνήμης τυχαίας προσπέλασης (RRAM), τα οποία και τα δύο είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικά από τις τεχνολογίες πυριτίου. Αυτό είναι σημαντικό επειδή η τεράστια ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία κέντρων δεδομένων αποτελεί μια άλλη σημαντική πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι εταιρείες τεχνολογίας.
"Για να έχετε την επόμενη 1.000 φορές βελτίωση της απόδοσης της πληροφορικής από την άποψη της ενεργειακής απόδοσης, η οποία κάνει τα πράγματα να τρέχουν με πολύ χαμηλή ενέργεια και ταυτόχρονα τα πράγματα να τρέχουν πολύ γρήγορα, αυτή είναι η αρχιτεκτονική που χρειάζεστε», δήλωσε ο Mitra.
Ενώ και οι δύο αυτές νέες νανοτεχνολογίες έχουν εγγενή πλεονεκτήματα έναντι της συμβατικής τεχνολογίας με βάση το πυρίτιο, είναι επίσης ενσωματωμένα στην τρισδιάστατη αρχιτεκτονική του νέου τσιπ, ανέφεραν οι ερευνητές.
Ο λόγος για τον οποίο τα σημερινά τσιπ είναι 2D είναι ότι η κατασκευή τρανζίστορ πυριτίου πάνω σε τσιπ απαιτεί θερμοκρασίες άνω των 1.800 βαθμών Κελσίου (1.000 βαθμούς Κελσίου), γεγονός που καθιστά αδύνατο να στρώσει τα κυκλώματα πυριτίου πάνω από το άλλο χωρίς να καταστραφεί το κάτω στρώμα. .
Αλλά και τα δύο τρανζίστορ νανοσωλήνων άνθρακα και το RRAM κατασκευάζονται σε ψυγείο περισσότερο από 392 βαθμούς F (200 βαθμούς C), έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να στρωματοποιηθούν πάνω από το πυρίτιο χωρίς να καταστραφούν τα υποκείμενα κυκλώματα. Αυτό κάνει την προσέγγιση των ερευνητών συμβατή με την τρέχουσα τεχνολογία κατασκευής τσιπ, είπαν.
Η τοποθέτηση πολλών στρώσεων πάνω από το άλλο θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε υπερθέρμανση, δήλωσε ο Μίτρα, επειδή τα κορυφαία στρώματα θα απέχουν πολύ από τους ψύκτες θερμότητας στη βάση του τσιπ. Αλλά, πρόσθεσε, αυτό το πρόβλημα θα πρέπει να είναι σχετικά απλό να σχεδιαστεί γύρω, και η αυξημένη ενεργειακή απόδοση της νέας τεχνολογίας σημαίνει ότι παράγεται λιγότερη θερμότητα.
Για να αποδείξει τα πλεονεκτήματα του σχεδιασμού του, η ομάδα δημιούργησε ένα πρωτότυπο ανιχνευτή αερίων προσθέτοντας ένα άλλο στρώμα αισθητήρων με βάση τα νανοσωλήνα άνθρακα πάνω από το τσιπ. Η κάθετη ολοκλήρωση σήμαινε ότι κάθε ένας από αυτούς τους αισθητήρες συνδέεται άμεσα με ένα κύτταρο RRAM, αυξάνοντας δραματικά τον ρυθμό με τον οποίο θα μπορούσαν να επεξεργαστούν τα δεδομένα.
Τα δεδομένα αυτά στη συνέχεια μεταφέρθηκαν στο λογικό στρώμα, το οποίο εφάρμοζε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που του επέτρεπε να διακρίνει μεταξύ των ατμών του χυμού λεμονιού, της βότκας και της μπύρας.
Αυτό ήταν απλά μια επίδειξη, όμως, είπε ο Mitra και το τσιπ είναι εξαιρετικά ευπροσάρμοστο και ιδιαίτερα κατάλληλο για το είδος βαρέων, βαθιών προσεγγίσεων νευρωνικών δικτύων που στηρίζουν την τρέχουσα τεχνολογία τεχνητής νοημοσύνης.
Ο Jan Rabaey, καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Πληροφορικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, δήλωσε ότι συμφωνεί.
"Αυτές οι δομές μπορεί να είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για εναλλακτικά παραδείγματα υπολογιστικής μάθησης, όπως συστήματα εμπνευσμένα από εγκεφάλους και βαθιά νευρικά δίκτυα, και η προσέγγιση που παρουσιάζουν οι συγγραφείς είναι σίγουρα ένα πρώτο πρώτο βήμα προς την κατεύθυνση αυτή", δήλωσε στο MIT News.
