Kako informacione i komunikacione tehnologije (IKT) obrađuju podatke, one pretvaraju električnu energiju u toplotu. Već danas, CO 2 otisak globalnog IKT ekosistema je rival vazduhoplovstvu. Ispostavilo se, međutim, da veliki deo energije koju troše računarski procesori ne ide u izvođenje proračuna. Umesto toga, najveći deo energije koja se koristi za obradu podataka troši se na prebacivanje bajtova između memorije i procesora.
U radu objavljenom u časopisu Nature Electronics, istraživači sa EPFL-ove škole inženjeringa u Laboratoriji za nanorazmernu elektroniku i strukture (LANES) predstavljaju novi procesor koji se bavi ovom neefikasnošću integracijom obrade i skladištenja podataka na jednom uređaju, tzv. procesor u memoriji.
Oni su otvorili novi teren kreiranjem prvog procesora u memoriji zasnovanog na dvodimenzionalnom poluprovodničkom materijalu koji se sastoji od više od 1.000 tranzistora, što je ključna prekretnica na putu ka industrijskoj proizvodnji.
Prema Andrašu Kisu, koji je vodio studiju, glavni krivac za neefikasnost današnjih CPU-a je univerzalno prihvaćena von Nojmanova arhitektura. Konkretno, fizičko razdvajanje komponenti koje se koriste za izvođenje proračuna i skladištenje podataka. Zbog ovog razdvajanja, procesori treba da preuzimaju podatke iz memorije da bi izvršili proračune, što uključuje pomeranje električnih naboja, punjenje i pražnjenje kondenzatora i prenošenje struja duž linija — a sve to rasipa energiju.
Do pre oko 20 godina ova arhitektura je imala smisla, jer su za skladištenje i obradu podataka bili potrebni različiti tipovi uređaja. Ali fon Nojmanova arhitektura se sve više dovodi u pitanje efikasnijim alternativama.
„Danas su u toku napori za spajanje skladištenja i obrade u univerzalnije procesore u memoriji koji sadrže elemente koji rade i kao memorija i kao tranzistor“, objašnjava Kis. Njegova laboratorija istražuje načine za postizanje ovog cilja koristeći molibden disulfid (MoS 2 ), poluprovodnički materijal.
U svom radu Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, asistent na LANES-u, i njegovi koautori predstavljaju procesor u memoriji zasnovan na MoS 2 posvećen jednoj od osnovnih operacija u obradi podataka: množenju vektorske matrice. Ova operacija je sveprisutna u digitalnoj obradi signala i implementaciji modela veštačke inteligencije. Poboljšanja njegove efikasnosti mogla bi doneti značajne uštede energije u celom IKT sektoru.
Njihov procesor kombinuje 1.024 elementa na čipu jedan po jedan centimetar. Svaki element sadrži 2D MoS 2 tranzistor kao i plutajuću kapiju, koja se koristi za skladištenje naelektrisanja u svojoj memoriji koja kontroliše provodljivost svakog tranzistora. Spajanje obrade i memorije na ovaj način suštinski menja način na koji procesor izvršava proračun.
„Podešavanjem provodljivosti svakog tranzistora, možemo izvršiti analogno množenje vektorske matrice u jednom koraku primenom napona na naš procesor i merenjem izlaza“, objašnjava Kis.
Izbor materijala — MoS 2 — igrao je vitalnu ulogu u razvoju njihovog procesora u memoriji. Kao prvo, MoS 2 je poluprovodnik — uslov za razvoj tranzistora. Za razliku od silicijuma, najčešće korišćenog poluprovodnika u današnjim računarskim procesorima, MoS 2 formira stabilan monosloj, debeo samo tri atoma, koji samo slabo reaguje sa okolinom.
Njegova tankoća nudi potencijal za proizvodnju izuzetno kompaktnih uređaja. Konačno, to je materijal koji Kisova laboratorija dobro poznaje. Godine 2010. napravili su svoj prvi pojedinačni MoS 2 tranzistor koristeći monosloj materijala oljuštenog sa kristala pomoću škotske trake.
Tokom proteklih 13 godina, njihovi procesi su značajno sazreli, pri čemu su doprinosi Migliato Marega igrali ključnu ulogu. „Ključni napredak u prelasku sa jednog tranzistora na više od 1.000 bio je kvalitet materijala koji možemo da deponujemo. Posle mnogo optimizacije procesa, sada možemo da proizvodimo cele pločice prekrivene homogenim slojem uniformnog MoS 2 . To nam omogućava usvojiti industrijske standardne alate za dizajniranje integrisanih kola na računaru i prevesti ove dizajne u fizička kola, otvarajući vrata masovnoj proizvodnji“, kaže Kis.
Osim svoje čisto naučne vrednosti, Kis vidi ovaj rezultat kao svedočanstvo o važnosti bliske naučne saradnje između Švajcarske i EU, posebno u kontekstu Evropskog zakona o čipovima, koji ima za cilj da ojača konkurentnost i otpornost Evrope u oblasti poluprovodničkih tehnologija i aplikacije.
„U isto vreme, to pokazuje kako posao koji se obavlja u Švajcarskoj može biti od koristi EU jer nastoji da oživi proizvodnju elektronike. Umesto da trči u istoj trci kao i svi ostali, EU bi se, na primer, mogla fokusirati na razvoj ne-fon Nojman arhitekture obrade za AI akceleratore i druge nove aplikacije. Definisanjem sopstvene rase, kontinent bi mogao da dobije prednost da obezbedi snažnu poziciju u budućnosti“, zaključuje on.
