Los investigadores de la EPFL han creado un procesador en memoria energéticamente eficiente utilizando MoS2, combinando más de 1.000 transistores. Este procesador, que realiza de manera eficiente la multiplicación de matrices vectoriales, representa una desviación de la arquitectura tradicional de von Neumann y podría impulsar la industria europea de semiconductores.
Desarrollado por investigadores de la EPFL, el primer procesador en memoria a gran escala que utiliza materiales semiconductores 2D podría reducir sustancialmente la huella energética del sector de las TIC.
A medida que las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) procesan datos, convierten la electricidad en calor. Hoy en día, la huella de CO2 del ecosistema mundial de las TIC rivaliza con la de la aviación. Sin embargo, resulta que gran parte de la energía consumida por los procesadores de las computadoras no se utiliza para realizar cálculos. En cambio, la mayor parte de la energía utilizada para procesar datos se gasta transportando bytes entre la memoria y el procesador.
En un artículo publicado el 13 de noviembre en la revista Nature Electronics, investigadores de la Escuela de Ingeniería del Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Nanoescala (LANES) de la EPFL presentan un nuevo procesador que aborda esta ineficiencia al integrar el procesamiento y el almacenamiento de datos en un solo dispositivo, un el llamado procesador en memoria. Abrieron nuevos caminos al crear el primer procesador en memoria basado en un material semiconductor bidimensional que comprende más de 1.000 transistores, un hito importante en el camino hacia la producción industrial.
En un artículo publicado en la revista Nature Electronics, investigadores de la Escuela de Ingeniería del Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Nanoescala (LANES) de la EPFL presentan un nuevo procesador que aborda esta ineficiencia integrando procesamiento y almacenamiento de datos en un solo dispositivo, el llamado procesador en memoria. . Abrieron nuevos caminos al crear el primer procesador en memoria basado en un material semiconductor bidimensional que comprende más de 1.000 transistores, un hito importante en el camino hacia la producción industrial. Crédito: 2023 EPFL/Alan Herzog
El legado de von Neuman
Según Andras Kis, director del estudio, el principal culpable de la ineficiencia de las CPU actuales es la arquitectura von Neumann, adoptada universalmente. Específicamente, la separación física de los componentes utilizados para realizar cálculos y almacenar datos. Debido a esta separación, los procesadores necesitan recuperar datos de la memoria para realizar cálculos, lo que implica mover cargas eléctricas, cargar y descargar condensadores y transmitir corrientes a lo largo de líneas, todo lo cual disipa energía.
Hasta hace unos 20 años, esta arquitectura tenía sentido, ya que se necesitaban diferentes tipos de dispositivos para el almacenamiento y procesamiento de datos. Pero la arquitectura de von Neumann se ve cada vez más desafiada por alternativas más eficientes. «Hoy en día, se están realizando esfuerzos para fusionar el almacenamiento y el procesamiento en procesadores de memoria más universales que contengan elementos que funcionen como memoria y transistor», explica Kis. Su laboratorio ha estado explorando formas de lograr este objetivo utilizando disulfuro de molibdeno (MoS2), un material semiconductor.
Una nueva arquitectura de procesador bidimensional
En su artículo en Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, asistente de doctorado en LANES, y sus coautores presentan un procesador en memoria basado en MoS2 dedicado a una de las operaciones fundamentales en el procesamiento de datos: la multiplicación de matrices vectoriales. Esta operación es omnipresente en el procesamiento de señales digitales y la implementación de modelos de inteligencia artificial. Las mejoras en su eficiencia podrían generar ahorros energéticos sustanciales en todo el sector de las TIC.
Su procesador combina 1.024 elementos en un chip de un centímetro. Cada elemento consta de un transistor 2D MoS2, así como de una puerta flotante, que se utiliza para almacenar en su memoria una carga que controla la conductividad de cada transistor. Acoplar el procesamiento y la memoria de esta manera cambia fundamentalmente la forma en que el procesador realiza los cálculos. «Al definir la conductividad de cada transistor, podemos realizar la multiplicación de matrices vectoriales analógicas en un solo paso, aplicando voltajes a nuestro procesador y midiendo la salida», explica Kis.
Un gran paso hacia las aplicaciones prácticas
La elección del material (MoS2) jugó un papel fundamental en el desarrollo de su procesador en memoria. Por un lado, el MoS2 es un semiconductor, un requisito para el desarrollo de transistores. A diferencia del silicio, el semiconductor más utilizado en los procesadores de ordenadores actuales, el MoS2 forma una monocapa estable, de sólo tres átomos de espesor, que interactúa sólo débilmente con el medio ambiente. Su grosor ofrece el potencial de producir dispositivos extremadamente compactos. Finalmente, es un material que el laboratorio de Kis conoce bien. En 2010, crearon su primer transistor MoS2 único utilizando una monocapa del material extraído de un cristal con cinta adhesiva.
En los últimos 13 años, sus procesos han madurado sustancialmente, siendo las contribuciones de Migliato Marega un papel clave. “El principal avance para pasar de un solo transistor a más de 1000 fue la calidad del material que podemos depositar. Después de mucha optimización del proceso, ahora podemos producir obleas enteras cubiertas con una capa homogénea de MoS2 uniforme. Esto nos permite adoptar herramientas estándar de la industria para diseñar circuitos integrados en una computadora y traducir esos diseños en circuitos físicos, abriendo las puertas a la producción en masa”, dice Kis.
Revitalizar la fabricación europea de chips
Además de su valor puramente científico, Kis ve este resultado como un testimonio de la importancia de una estrecha colaboración científica entre Suiza y la UE, en particular en el contexto de la Ley Europea de Chips, cuyo objetivo es fortalecer la competitividad y la resiliencia de Europa en las tecnologías de semiconductores. y formas. «La financiación de la UE fue crucial tanto para este proyecto como para los anteriores, incluido el que financió el trabajo en el primer transistor MoS2, lo que demuestra lo importante que es para Suiza», afirma Kis.
“Al mismo tiempo, muestra cómo el trabajo realizado en Suiza puede beneficiar a la UE en su intento de revitalizar la fabricación de productos electrónicos. En lugar de correr la misma carrera que todos los demás, la UE podría, por ejemplo, centrarse en desarrollar arquitecturas de procesamiento no von Neumann para aceleradores de IA y otras aplicaciones emergentes. Al definir su propia carrera, el continente podrá obtener una ventaja inicial para asegurar una posición fuerte en el futuro”, concluye.
Referencia: “Un procesador integrado de multiplicación de vectores de matriz a gran escala basado en memorias de disulfuro de molibdeno monocapa” por Guilherme Migliato Marega, Hyun Goo Ji, Zhenyu Wang, Gabriele Pasquale, Mukesh Tripathi, Aleksandra Radenovic y Andras Kis, 13 de noviembre de 2023, Electrónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41928-023-01064-1
