Tredimensionel chip kombinerer databehandling og datalagring

Efterhånden som indlejret intelligens finder vej til stadig flere områder af vores liv, områder lige fra autonom kørsel til personlig medicin genererer enorme mængder data. Men lige som datafloden når massive proportioner, computerchips evne til at bearbejde det til nyttig information går i stå.

Nu, forskere ved Stanford University og MIT har bygget en ny chip for at overvinde denne forhindring. Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet Natur , af hovedforfatter Max Shulaker, en assisterende professor i elektroteknik og datalogi ved MIT. Shulaker begyndte arbejdet som ph.d.-studerende ved siden af ​​H.-S. Philip Wong og hans rådgiver Subhasish Mitra, professorer i elektroteknik og datalogi ved Stanford. Holdet inkluderede også professorerne Roger Howe og Krishna Saraswat, også fra Stanford.

Computere består i dag af forskellige chips, der er flettet sammen. Der er en chip til databehandling og en separat chip til datalagring, og forbindelserne mellem de to er begrænsede. Efterhånden som applikationer analyserer stadig større mængder af data, den begrænsede hastighed, hvormed data kan flyttes mellem forskellige chips, skaber en kritisk "flaskehals". Og med begrænset fast ejendom på chippen, der er ikke plads nok til at placere dem side om side, selvom de er blevet miniaturiseret (et fænomen kendt som Moores lov).

At gøre tingene værre, de underliggende enheder, transistorer lavet af silicium, ikke længere forbedres i den historiske takt, som de har gjort i årtier.

Den nye prototype-chip er en radikal ændring i forhold til nutidens chips. Den bruger flere nanoteknologier, sammen med en ny computerarkitektur, at vende begge disse tendenser.

I stedet for at stole på siliciumbaserede enheder, chippen bruger kulstof nanorør, som er plader af 2-D grafen formet til nanocylindre, og resistive random-access memory (RRAM) celler, en type ikke-flygtig hukommelse, der fungerer ved at ændre modstanden af ​​et fast dielektrisk materiale. Forskerne integrerede over 1 million RRAM-celler og 2 millioner kulstof-nanorør-felteffekttransistorer, laver det mest komplekse nanoelektroniske system, der nogensinde er lavet med nye nanoteknologier.

RRAM og carbon nanorør er bygget lodret over hinanden, lave en ny, tæt 3-D computerarkitektur med interleaving lag af logik og hukommelse. Ved at indsætte ultratætte ledninger mellem disse lag, denne 3-D-arkitektur lover at løse kommunikationsflaskehalsen.

Imidlertid, en sådan arkitektur er ikke mulig med eksisterende siliciumbaseret teknologi, ifølge avisens hovedforfatter, Max Shulaker, som er et kernemedlem af MIT's Microsystems Technology Laboratories. "Kretsløb i dag er 2-D, da bygning af konventionelle siliciumtransistorer involverer ekstremt høje temperaturer på over 1, 000 grader Celsius, " siger Shulaker. "Hvis du derefter bygger et andet lag af siliciumkredsløb ovenpå, at høj temperatur vil beskadige det nederste lag af kredsløb."

Nøglen i dette arbejde er, at carbon nanorør-kredsløb og RRAM-hukommelse kan fremstilles ved meget lavere temperaturer, under 200 C. "Det betyder, at de kan bygges op i lag uden at skade kredsløbene under, " siger Shulaker.

Dette giver flere samtidige fordele for fremtidige computersystemer. "Enhederne er bedre:Logik lavet af kulstof nanorør kan være en størrelsesorden mere energieffektiv sammenlignet med nutidens logik lavet af silicium, og tilsvarende, RRAM kan være tættere, hurtigere, og mere energieffektiv sammenlignet med DRAM, "Wong siger, henviser til en konventionel hukommelse kendt som dynamisk tilfældig adgangshukommelse.

"Ud over forbedrede enheder, 3D-integration kan tage fat på en anden vigtig overvejelse i systemer:sammenkoblingerne inden for og mellem chips, " tilføjer Saraswat.

"Den nye 3-D computerarkitektur giver tæt og finkornet integration af databehandling og datalagring, drastisk overvinde flaskehalsen fra at flytte data mellem chips, " siger Mitra. "Som et resultat, chippen er i stand til at lagre enorme mængder data og udføre on-chip-behandling for at transformere en dataflod til nyttig information."

For at demonstrere teknologiens potentiale, forskerne udnyttede kulstofnanorørs evne til også at fungere som sensorer. På det øverste lag af chippen placerede de over 1 million kulstof nanorør-baserede sensorer, som de brugte til at detektere og klassificere omgivende gasser.

På grund af lagdelingen af ​​sansning, data opbevaring, og computere, chippen var i stand til at måle hver af sensorerne parallelt, og skriv derefter direkte ind i dens hukommelse, generere enorm båndbredde, siger Shulaker.

"En stor fordel ved vores demonstration er, at den er kompatibel med nutidens siliciuminfrastruktur, både med hensyn til fremstilling og design, " siger Howe.

"Det faktum, at denne strategi både er CMOS [komplementær metal-oxid-halvleder]-kompatibel og levedygtig til en række forskellige applikationer, tyder på, at det er et væsentligt skridt i den fortsatte udvikling af Moores lov, siger Ken Hansen, præsident og administrerende direktør for Semiconductor Research Corporation, som understøttede forskningen. "For at opretholde løftet om Moores lovs økonomi, innovative heterogene tilgange er nødvendige, da dimensionsskalering ikke længere er tilstrækkelig. Dette banebrydende arbejde inkarnerer denne filosofi."

Holdet arbejder på at forbedre de underliggende nanoteknologier, mens du udforsker den nye 3-D computerarkitektur. For Shulaker, næste skridt er at arbejde sammen med det Massachusetts-baserede halvlederfirma Analog Devices om at udvikle nye versioner af systemet, der udnytter dets evne til at udføre sansning og databehandling på den samme chip.

Så, for eksempel, anordningerne kan bruges til at opdage tegn på sygdom ved at fornemme bestemte forbindelser i en patients ånde, siger Shulaker.

"Teknologien kunne ikke kun forbedre traditionel databehandling, men det åbner også op for en helt ny række applikationer, som vi kan målrette mod, " siger han. "Mine elever undersøger nu, hvordan vi kan producere chips, der gør mere end bare computere."

"Denne demonstration af 3D-integration af sensorer, hukommelse, og logik er en usædvanlig innovativ udvikling, der udnytter den nuværende CMOS-teknologi med de nye muligheder i kulstof-nanorør-felteffekttransistorer, " siger Sam Fuller, CTO emeritus for analoge enheder, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Dette har potentialet til at blive platformen for mange revolutionerende applikationer i fremtiden."