Các nhà nghiên cứu EPFL đã sử dụng MoS2 để tạo ra bộ xử lý bộ nhớ tiết kiệm năng lượng bao gồm hơn 1.000 bóng bán dẫn. Bộ xử lý này có thể thực hiện các phép nhân ma trận vectơ một cách hiệu quả, thể hiện sự thay đổi so với kiến trúc von Neumann truyền thống và có thể thúc đẩy sự phát triển của ngành bán dẫn châu Âu.
Bộ xử lý bộ nhớ quy mô lớn đầu tiên sử dụng vật liệu bán dẫn hai chiều do các nhà nghiên cứu EPFL phát triển có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông.
Khi công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) xử lý dữ liệu, chúng chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt. Ngày nay, lượng khí thải carbon dioxide của hệ sinh thái CNTT toàn cầu cũng nhiều như lượng khí thải của ngành hàng không. Tuy nhiên, hóa ra phần lớn năng lượng mà bộ xử lý máy tính tiêu thụ không được sử dụng để thực hiện các phép tính. Thay vào đó, phần lớn năng lượng tiêu tốn để xử lý dữ liệu được sử dụng để truyền byte giữa bộ nhớ và bộ xử lý.
Trong một bài báo xuất bản vào ngày 13 tháng 11 trên tạp chí Nature Electronics, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Cấu trúc và Điện tử nano (LANES) tại Khoa Kỹ thuật của EPFL đã giới thiệu một loại bộ xử lý mới có thể giải quyết vấn đề kém hiệu quả này bằng cách tích hợp xử lý và lưu trữ dữ liệu vào một thiết bị duy nhất, được gọi là bộ xử lý bộ nhớ. Họ đã tạo ra bộ xử lý bộ nhớ đầu tiên bao gồm hơn 1.000 bóng bán dẫn dựa trên vật liệu bán dẫn hai chiều, mở ra một lĩnh vực mới. Đây là cột mốc quan trọng trên con đường đi tới sản xuất công nghiệp.
Di sản của Von NeumannTAG PH65
Andras Kis, người đứng đầu nghiên cứu, tin rằng thủ phạm chính gây ra sự kém hiệu quả của CPU ngày nay bắt nguồn từ kiến trúc von Neumann phổ biến. Cụ thể là sự phân tách vật lý của các thành phần được sử dụng để thực hiện tính toán và lưu trữ dữ liệu. Do sự tách biệt này, bộ xử lý cần lấy dữ liệu từ bộ nhớ để thực hiện các phép tính, đòi hỏi các điện tích chuyển động, tụ điện sạc và xả cũng như truyền dòng điện dọc theo dây dẫn, tất cả đều tiêu tán năng lượng.
Cho đến 20 năm trước, kiến trúc này vẫn hợp lý vì việc lưu trữ và xử lý dữ liệu yêu cầu nhiều loại thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, kiến trúc von Neumann ngày càng bị thách thức bởi những giải pháp thay thế hiệu quả hơn. Keith giải thích: “Ngày nay, có nỗ lực hợp nhất bộ lưu trữ và xử lý thành một bộ xử lý bộ nhớ có mục đích chung hơn, chứa các thành phần có thể hoạt động như cả bộ nhớ và bóng bán dẫn”. “Phòng thí nghiệm của ông ấy đang khám phá cách đạt được điều này bằng cách sử dụng vật liệu bán dẫn có tên là molybdenum disulfide (MoS2).”
Kiến trúc bộ xử lý 2D loại mới
Trong bài báo của Nature Electronics, trợ lý tiến sĩ LANES Guilherme Migliato Marega và các đồng tác giả giới thiệu bộ xử lý bộ nhớ dựa trên MoS2 dành riêng cho một trong những hoạt động cơ bản trong xử lý dữ liệu: phép nhân ma trận vectơ. Các hoạt động như vậy có mặt khắp nơi trong việc triển khai các mô hình xử lý tín hiệu số và trí tuệ nhân tạo. Cải thiện hiệu quả của nó có thể tiết kiệm lượng năng lượng đáng kể trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông.
Bộ xử lý của họ kết hợp 1.024 phần tử vào một con chip có diện tích 1 cm vuông. Mỗi phần tử bao gồm một bóng bán dẫn MoS2 hai chiều và một cổng nổi, được sử dụng để lưu trữ điện tích trong bộ nhớ và từ đó kiểm soát độ dẫn điện của mỗi bóng bán dẫn. Việc kết hợp xử lý và bộ nhớ với nhau theo cách này về cơ bản sẽ thay đổi cách bộ xử lý thực hiện tính toán. Keith giải thích: “Bằng cách thiết lập độ dẫn điện của mỗi bóng bán dẫn, chúng tôi có thể thực hiện phép nhân ma trận vectơ tương tự chỉ bằng cách cấp điện áp vào bộ xử lý và đo đầu ra”.
T AGPH2Một bước tiến lớn hướng tới ứng dụng thực tế
Trong quá trình phát triển bộ xử lý bộ nhớ, việc lựa chọn vật liệu MoS2 đóng một vai trò quan trọng. Đầu tiên, MoS2 là chất bán dẫn cần thiết để phát triển bóng bán dẫn. Không giống như silicon, chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong bộ xử lý máy tính ngày nay, MoS tạo thành một lớp đơn ổn định chỉ dày ba nguyên tử và chỉ tương tác yếu với môi trường xung quanh. Độ mỏng của nó giúp có thể sản xuất các thiết bị cực kỳ nhỏ gọn. Cuối cùng, đây là tài liệu mà Kis Labs rất quen thuộc. Năm 2010, họ đã sử dụng băng keo Scotch để tạo ra bóng bán dẫn MoS2 một lớp đầu tiên sử dụng một lớp vật liệu MoS2 được bóc ra khỏi tinh thể.
Trải qua 13 năm, nghề của họ đã trưởng thành và sự đóng góp của Migliato Marega là không thể thiếu. Keith cho biết: “Tiến bộ quan trọng từ một bóng bán dẫn đơn lẻ đến hơn 1.000 bóng bán dẫn là chất lượng của vật liệu mà chúng tôi có thể ký gửi. Sau khi tối ưu hóa quy trình trên diện rộng, giờ đây chúng tôi có thể sản xuất toàn bộ tấm bán dẫn được phủ một lớp MoS2 đồng nhất. Điều này cho phép chúng tôi thiết kế các mạch tích hợp trên máy tính bằng cách sử dụng các công cụ tiêu chuẩn công nghiệp và chuyển các thiết kế này thành các mạch vật lý, mở ra cánh cửa cho sản xuất hàng loạt”.
Hồi sinh ngành công nghiệp sản xuất chip châu Âu
Ngoài giá trị khoa học thuần túy, Kis cũng tin rằng kết quả này thể hiện tầm quan trọng của hợp tác khoa học chặt chẽ giữa Thụy Sĩ và EU, đặc biệt là trong bối cảnh Đạo luật chip châu Âu nhằm tăng cường khả năng cạnh tranh của châu Âu và khả năng thích ứng trong công nghệ bán dẫn và ứng dụng. Kees cho biết: “Tài trợ của EU rất quan trọng đối với dự án này và các dự án trước đó, bao gồm cả việc tài trợ cho công việc chế tạo bóng bán dẫn MoS2 đầu tiên, điều này cho thấy tầm quan trọng của nguồn tài trợ của EU đối với Thụy Sĩ”. "Đồng thời, nó cũng cho thấy công việc của Thụy Sĩ có thể mang lại lợi ích cho EU như thế nào trong quá trình khôi phục hoạt động sản xuất điện tử. Ví dụ, EU có thể tập trung vào phát triển kiến trúc xử lý phi von Neumann cho máy gia tốc trí tuệ nhân tạo và các ứng dụng mới nổi khác, thay vì cạnh tranh với những nước khác trong cùng một cuộc cạnh tranh. Bằng cách xác định sự cạnh tranh của riêng mình, EU có thể có khởi đầu thuận lợi và đảm bảo vị thế thuận lợi trong tương lai."