Parempaa energiatehokkuutta tietojenkäsittelyyn

EPFL:n tutkijoiden kehittämä ensimmäinen suurskaalainen 2D-puolijohdemateriaaleja hyödyntävä muistissa toimiva (in-memory processor) prosessori voisi merkittävästi vähentää ICT-sektorin energiajalanjälkeä.

Suuri osa tietokoneiden prosessorien kuluttamasta energiasta ei mene niinkään laskelmien suorittamiseen vaan datan käsittelyyn jossa tavuja siirretään muistin ja prosessorin välillä. Tutkijoiden uusi prosessori korjaa tätä tehottomuutta integroimalla datan käsittelyn ja tallennuksen yhteen laitteeseen eli muistin ja käsittelyn yhdistävään prosessoriin.

He loivat uuden suunnan kehittämällä ensimmäisen kaksiulotteiseen puolijohdemateriaaliin perustuvan muistiprosessorin, joka sisältää yli 1000 transistoria, mikä on tärkeä virstanpylväs tiellä teolliseen tuotantoon.

Guilherme Migliato Marega ja hänen kollegansa esittelevät MoS2-pohjaisen muistissa vekslaamisen eliminoivan prosessorin, joka on tarkoitettu yhdelle datankäsittelyn perustoiminnoista: vektori-matriisi kertolasku. Tämä toiminta on kaikkialla digitaalisessa signaalinkäsittelyssä ja tekoälymallien toteutuksessa. Sen tehokkuuden parantaminen voisi tuottaa merkittäviä energiansäästöjä koko ICT-sektorilla.

Heidän prosessori yhdistää 1024 elementtiä yhden neliösenttimetrin sirulle. Jokainen elementti käsittää 2D MoS2 -transistorin sekä kelluvan hilan, jota käytetään tallentamaan muistiin varaus, joka ohjaa kunkin transistorin johtavuutta. Käsittelyn ja muistin yhdistäminen tällä tavalla muuttaa olennaisesti sitä, miten prosessori suorittaa laskennan. "Asettamalla kunkin transistorin johtavuuden voimme suorittaa analogisen vektori-matriisin kertolaskun yhdessä vaiheessa kohdistamalla prosessorimme jännitteet ja mittaamalla ulostulon", tutkimusta johtanut Andras Kis selittää.

Materiaalivalinnalla – MoS2:lla – oli keskeinen rooli heidän muistin ja prosessorin yhteistoiminnan kehittämisessä. Ensinnäkin MoS2 on puolijohde mutta toisin kuin pii, MoS2 muodostaa vakaan, vain kolmen atomin paksuisen kerroksen, joka on vain heikosti vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Lisäksi sen ohuus tarjoaa mahdollisuuden tuottaa erittäin kompakteja laitteita.

Vuonna 2010 Kisin laboratorio loi ensimmäisen yksittäisen MoS2-transistorin käyttämällä yksikerroksista materiaalia. Pitkän valmistusprosessin optimoinnin jälkeen tutkijat voivat nyt tuottaa kokonaisia kiekkoja, jotka on pinnoitettu homogeenisella yhtenäisellä MoS2-kerroksella.

Tämä antaa meille mahdollisuuden ottaa käyttöön alan standardityökaluja integroitujen piirien suunnitteluun tietokoneessa ja muuntaa nämä mallit fyysisiksi piireiksi, mikä avaa oven massatuotantoon”, Kis sanoo.

Puhtaasti tieteellisen arvon lisäksi Kis näkee tämän tuloksen osoituksena Sveitsin ja EU:n välisen tiiviin tieteellisen yhteistyön tärkeydestä, erityisesti European Chips Actin yhteydessä, jolla pyritään vahvistamaan Euroopan kilpailukykyä ja kestävyyttä puolijohdeteknologioissa ja sovelluksissa.

Sen sijaan, että kisaisi samaa kilpailua kaikkien muiden kanssa, EU voisi esimerkiksi keskittyä muiden kuin von Neumann -prosessointiarkkitehtuurien kehittämiseen tekoälykiihdyttimille ja muille nouseville sovelluksille.

Aiheesta aiemmin:

Energiatehokas tekoälysiru

Muistissa toimivaa langatonta laskentaa