Forscher der EPFL nutzten MoS2, um einen energieeffizienten Speicherprozessor zu entwickeln, der aus mehr als 1.000 Transistoren besteht. Dieser Prozessor kann Vektormatrix-Multiplikationsoperationen effizient durchführen, stellt eine Abkehr von der traditionellen von Neumann-Architektur dar und kann die Entwicklung der europäischen Halbleiterindustrie fördern.
Der erste von EPFL-Forschern entwickelte Großspeicherprozessor mit zweidimensionalen Halbleitermaterialien könnte den Energieverbrauch im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie deutlich senken.
Wenn Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) Daten verarbeiten, wandeln sie elektrische Energie in Wärme um. Heute sind die Kohlendioxidemissionen des globalen IKT-Ökosystems genauso hoch wie die der Luftfahrtindustrie. Es stellt sich jedoch heraus, dass der Großteil der von Computerprozessoren verbrauchten Energie nicht für die Durchführung von Berechnungen verwendet wird. Stattdessen wird der Großteil der für die Verarbeitung von Daten aufgewendeten Energie für die Übertragung von Bytes zwischen Speicher und Prozessor verwendet.
In einem am 13. November in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Artikel stellen Forscher des Laboratoriums für Nanoelektronik und Strukturen (LANES) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL einen neuen Prozessortyp vor, der diese Ineffizienz behebt, indem er Datenverarbeitung und -speicherung in einem einzigen Gerät, einem sogenannten Speicherprozessor, integriert. Sie schufen den ersten Speicherprozessor aus mehr als 1.000 Transistoren auf Basis zweidimensionaler Halbleitermaterialien und eröffneten damit ein neues Feld. Dies ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Produktion.
Von Neumanns Erbe
Andras Kis, der die Forschung leitete, glaubt, dass der Hauptverursacher der heutigen CPU-Ineffizienzen in der häufig verwendeten von-Neumann-Architektur liegt. Insbesondere die physische Trennung von Komponenten, die zur Durchführung von Berechnungen und zum Speichern von Daten verwendet werden. Aufgrund dieser Trennung muss der Prozessor Daten aus dem Speicher abrufen, um Berechnungen durchzuführen. Dazu sind das Verschieben von Ladungen, das Laden und Entladen von Kondensatoren und die Übertragung von Strom über Drähte erforderlich, die allesamt Energie verbrauchen.
Bis vor 20 Jahren war diese Architektur gerechtfertigt, weil die Datenspeicherung und -verarbeitung unterschiedliche Gerätetypen erforderte. Allerdings wird die von Neumann-Architektur zunehmend durch effizientere Alternativen herausgefordert. „Heute gibt es Bestrebungen, Speicher und Verarbeitung in einem allgemeineren Speicherprozessor zusammenzuführen, der Komponenten enthält, die sowohl als Speicher als auch als Transistoren fungieren können“, erklärte Keith. „Sein Labor hat untersucht, wie dies mithilfe eines Halbleitermaterials namens Molybdändisulfid (MoS2) erreicht werden kann.“
Neue 2D-Prozessorarchitektur
In ihrem Nature Electronics-Artikel stellen der LANES-Doktorand Guilherme Migliato Marega und seine Co-Autoren einen MoS2-basierten Speicherprozessor vor, der einer der grundlegenden Operationen in der Datenverarbeitung gewidmet ist: der Vektor-Matrix-Multiplikation. Solche Operationen sind bei der Implementierung digitaler Signalverarbeitung und Modelle der künstlichen Intelligenz allgegenwärtig. Eine Verbesserung der Effizienz könnte im gesamten Sektor der Informations- und Kommunikationstechnologie erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen.
Ihr Prozessor vereint 1.024 Elemente auf einem ein Zentimeter großen Chip. Jedes Element besteht aus einem zweidimensionalen MoS2-Transistor und einem Floating-Gate, das zum Speichern von Ladung im Speicher und dadurch zur Steuerung der Leitfähigkeit jedes Transistors verwendet wird. Die Kopplung von Verarbeitung und Speicher auf diese Weise verändert die Art und Weise, wie Prozessoren Berechnungen durchführen, grundlegend. „Indem wir die Leitfähigkeit jedes Transistors einstellen, können wir eine analoge Vektor-Matrix-Multiplikation durchführen, indem wir einfach eine Spannung an den Prozessor anlegen und den Ausgang messen“, erklärte Keith.
Ein großer Schritt in Richtung praktischer Anwendungen
Bei der Entwicklung von Speicherprozessoren spielt die Wahl des Materials MoS2 eine entscheidende Rolle. Erstens ist MoS2 ein Halbleiter, der für die Entwicklung von Transistoren notwendig ist. Im Gegensatz zu Silizium, dem in heutigen Computerprozessoren am häufigsten verwendeten Halbleiter, bildet MoS eine stabile, nur drei Atome dicke Monoschicht, die nur schwach mit der Umgebung interagiert. Seine geringe Dicke ermöglicht die Herstellung äußerst kompakter Geräte. Schließlich handelt es sich um ein Material, mit dem Kis Labs bestens vertraut ist. Im Jahr 2010 verwendeten sie Klebeband, um den ersten einschichtigen MoS2-Transistor herzustellen, bei dem eine einzelne Schicht MoS2-Material vom Kristall abgezogen wurde.
In den letzten 13 Jahren ist ihr Handwerk gereift und der Beitrag von Migliato Marega ist unverzichtbar. „Der entscheidende Fortschritt von einem einzelnen Transistor zu mehr als 1.000 Transistoren ist die Qualität des Materials, das wir abscheiden können. Nach umfassender Prozessoptimierung können wir jetzt ganze Wafer herstellen, die mit einer gleichmäßigen MoS2-Schicht bedeckt sind. Dies ermöglicht es uns, integrierte Schaltkreise am Computer mit branchenüblichen Werkzeugen zu entwerfen und diese Entwürfe in physische Schaltkreise zu übersetzen, was die Tür zur Massenproduktion öffnet“, sagte Keith.
Wiederbelebung der europäischen Chipherstellungsindustrie
Kis ist der Ansicht, dass dieses Ergebnis neben seinem rein wissenschaftlichen Wert auch die Bedeutung einer engen wissenschaftlichen Zusammenarbeit zwischen der Schweiz und der EU zeigt, insbesondere im Zusammenhang mit dem Europäischen Chipgesetz, das die Wettbewerbsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit Europas bei Halbleitertechnologien und -anwendungen stärken soll. „Die EU-Förderung war für dieses und frühere Projekte von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Finanzierung der Arbeiten am ersten MoS2-Transistor, was zeigt, wie wichtig die EU-Förderung für die Schweiz ist“, sagte Kees. „Gleichzeitig zeigt es, wie die von der Schweiz geleistete Arbeit der EU bei der Wiederbelebung der Elektronikfertigung zugute kommen kann. Beispielsweise kann sich die EU auf die Entwicklung von Nicht-von-Neumann-Verarbeitungsarchitekturen für Beschleuniger der künstlichen Intelligenz und andere neue Anwendungen konzentrieren, anstatt mit anderen im gleichen Rennen zu konkurrieren. Durch die Definition ihrer eigenen Konkurrenz kann die EU einen Vorsprung erlangen und sich eine günstige Position in der Zukunft sichern.“