Nu ingebedde intelligentie zijn weg vindt naar steeds meer gebieden van ons leven, vakgebieden variërend van autonoom rijden tot gepersonaliseerde geneeskunde genereren enorme hoeveelheden data. Maar net nu de stroom aan gegevens enorme proporties aanneemt, het vermogen van computerchips om het te verwerken tot bruikbare informatie stagneert.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Stanford University en MIT hebben een nieuwe chip gebouwd om deze hindernis te overwinnen. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , door hoofdauteur Max Shulaker, een assistent-professor elektrotechniek en informatica aan het MIT. Shulaker begon het werk als promovendus naast H.-S. Philip Wong en zijn adviseur Subhasish Mitra, professoren van elektrotechniek en computerwetenschappen aan Stanford. Het team omvatte ook professoren Roger Howe en Krishna Saraswat, ook van Stanford.

Computers bestaan ​​tegenwoordig uit verschillende aan elkaar geplaveide chips. Er is een chip voor computergebruik en een aparte chip voor gegevensopslag, en de verbindingen tussen de twee zijn beperkt. Naarmate toepassingen steeds grotere hoeveelheden gegevens analyseren, de beperkte snelheid waarmee gegevens tussen verschillende chips kunnen worden verplaatst, creëert een kritieke "knelpunt in de communicatie". En met beperkt vastgoed op de chip, er is niet genoeg ruimte om ze naast elkaar te plaatsen, zelfs als ze zijn geminiaturiseerd (een fenomeen dat bekend staat als de wet van Moore).

Om het erger te maken, de onderliggende apparaten, transistoren gemaakt van silicium, verbeteren niet meer in het historische tempo dat ze al decennialang hebben.

De nieuwe prototype-chip is een radicale verandering ten opzichte van de huidige chips. Het maakt gebruik van meerdere nanotechnologieën, samen met een nieuwe computerarchitectuur, beide trends te keren.

In plaats van te vertrouwen op apparaten op basis van silicium, de chip maakt gebruik van koolstofnanobuisjes, dat zijn vellen 2D-grafeen die zijn gevormd tot nanocilinders, en resistieve RRAM-cellen (Random Access Memory), een type niet-vluchtig geheugen dat werkt door de weerstand van een vast diëlektrisch materiaal te veranderen. De onderzoekers integreerden meer dan 1 miljoen RRAM-cellen en 2 miljoen koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren, het meest complexe nano-elektronische systeem ooit gemaakt met opkomende nanotechnologieën.

De RRAM en koolstof nanobuisjes zijn verticaal over elkaar gebouwd, het maken van een nieuwe, dichte 3D-computerarchitectuur met tussenliggende lagen logica en geheugen. Door ultradichte draden tussen deze lagen te plaatsen, deze 3D-architectuur belooft het communicatieprobleem aan te pakken.

Echter, een dergelijke architectuur is niet mogelijk met bestaande op silicium gebaseerde technologie, volgens de hoofdauteur van het artikel, Max Shulaker, die een kernlid is van MIT's Microsystems Technology Laboratories. "Circuits zijn tegenwoordig 2-D, aangezien het bouwen van conventionele siliciumtransistors extreem hoge temperaturen van meer dan 1 met zich meebrengt 000 graden Celsius, ", zegt Shulaker. "Als je dan een tweede laag siliciumcircuits erop bouwt, die hoge temperatuur zal de onderste laag van circuits beschadigen."

De sleutel in dit werk is dat koolstofnanobuiscircuits en RRAM-geheugen bij veel lagere temperaturen kunnen worden gefabriceerd, onder 200 C. "Dit betekent dat ze in lagen kunnen worden opgebouwd zonder de onderliggende circuits te beschadigen, ' zegt Shulaker.

Dit biedt verschillende gelijktijdige voordelen voor toekomstige computersystemen. "De apparaten zijn beter:logica gemaakt van koolstofnanobuisjes kan een orde van grootte energiezuiniger zijn in vergelijking met de huidige logica gemaakt van silicium, en evenzo, RRAM kan dichter zijn, sneller, en energiezuiniger in vergelijking met DRAM, "Wong zegt, verwijzend naar een conventioneel geheugen dat bekend staat als dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen.

"Naast verbeterde apparaten, 3D-integratie kan een andere belangrijke overweging in systemen aanpakken:de onderlinge verbindingen binnen en tussen chips, " voegt Saraswat toe.

"De nieuwe 3D-computerarchitectuur biedt een dichte en fijnmazige integratie van computergebruik en gegevensopslag, drastisch het overwinnen van het knelpunt van het verplaatsen van gegevens tussen chips, ", zegt Mitra. "Als gevolg daarvan, de chip is in staat enorme hoeveelheden gegevens op te slaan en on-chip verwerking uit te voeren om een ​​stortvloed aan gegevens om te zetten in bruikbare informatie."

Om het potentieel van de technologie te demonstreren, de onderzoekers maakten gebruik van het vermogen van koolstofnanobuisjes om ook als sensoren te fungeren. Op de bovenste laag van de chip plaatsten ze meer dan 1 miljoen op koolstof nanobuisjes gebaseerde sensoren, die ze gebruikten om omgevingsgassen te detecteren en te classificeren.

Door de gelaagdheid van sensing, gegevens opslag, en computergebruik, de chip kon elk van de sensoren parallel meten, en dan direct in zijn geheugen schrijven, het genereren van enorme bandbreedte, zegt Shulaker.

"Een groot voordeel van onze demonstratie is dat deze compatibel is met de huidige siliciuminfrastructuur, zowel qua fabricage als ontwerp, ' zegt Hoeve.

"Het feit dat deze strategie zowel compatibel is met CMOS [complementaire metaaloxide-halfgeleider] als levensvatbaar is voor een verscheidenheid aan toepassingen, suggereert dat het een belangrijke stap is in de voortdurende vooruitgang van de wet van Moore, " zegt Ken Hansen, president en CEO van de Semiconductor Research Corporation, die het onderzoek ondersteunden. "Om de belofte van de economie van Moore's Law te ondersteunen, innovatieve heterogene benaderingen zijn vereist omdat dimensionele schaalvergroting niet langer voldoende is. Dit baanbrekende werk belichaamt die filosofie."

Het team werkt aan het verbeteren van de onderliggende nanotechnologieën, tijdens het verkennen van de nieuwe 3D-computerarchitectuur. Voor Shulaker, de volgende stap is om samen te werken met het in Massachusetts gevestigde halfgeleiderbedrijf Analog Devices om nieuwe versies van het systeem te ontwikkelen die profiteren van de mogelijkheid om detectie en gegevensverwerking op dezelfde chip uit te voeren.

Dus, bijvoorbeeld, de apparaten kunnen worden gebruikt om tekenen van ziekte te detecteren door bepaalde verbindingen in de adem van een patiënt te detecteren, zegt Shulaker.

"De technologie kan niet alleen traditionele computers verbeteren, maar het opent ook een hele nieuwe reeks toepassingen waarop we ons kunnen richten, " zegt hij. "Mijn studenten onderzoeken nu hoe we chips kunnen maken die meer doen dan alleen computergebruik."

"Deze demonstratie van de 3D-integratie van sensoren, geheugen, en logica is een uitzonderlijk innovatieve ontwikkeling die gebruikmaakt van de huidige CMOS-technologie met de nieuwe mogelijkheden van veldeffecttransistoren met koolstofnanobuisjes, " zegt Sam Fuller, CTO emeritus van Analog Devices, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Dit heeft de potentie om in de toekomst het platform te worden voor veel revolutionaire toepassingen."