A medida que la inteligencia incorporada se abre camino en áreas cada vez más importantes de nuestras vidas, campos que van desde la conducción autónoma hasta la medicina personalizada están generando enormes cantidades de datos. Pero justo cuando la avalancha de datos alcanza proporciones masivas, la capacidad de los chips de computadora paraprocesarlo en información útil se está estancando.
Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford y el MIT han creado un nuevo chip para superar este obstáculo. Los resultados se publican en la revista Naturaleza , por el autor principal Max Shulaker, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en el MIT. Shulaker comenzó el trabajo como estudiante de doctorado junto a H.-S. Philip Wong y su asesor Subhasish Mitra, profesores de ingeniería eléctrica e informáticaen Stanford. El equipo también incluía a los profesores Roger Howe y Krishna Saraswat, también de Stanford.
Hoy en día, las computadoras comprenden diferentes chips improvisados. Hay un chip para computación y un chip separado para almacenamiento de datos, y las conexiones entre los dos son limitadas. A medida que las aplicaciones analizan volúmenes de datos cada vez más masivos, la velocidad limitada a la que se puedenmoverse entre diferentes chips está creando un "cuello de botella" de comunicación crítico. Y con el espacio limitado en el chip, no hay suficiente espacio para colocarlos uno al lado del otro, incluso cuando han sido miniaturizados un fenómeno conocido como Ley de Moore.
Para empeorar las cosas, los dispositivos subyacentes, los transistores hechos de silicio, ya no mejoran al ritmo histórico que lo han hecho durante décadas.
El nuevo chip prototipo es un cambio radical con respecto a los chips actuales. Utiliza múltiples nanotecnologías, junto con una nueva arquitectura de computadora, para revertir ambas tendencias.
En lugar de depender de dispositivos basados en silicio, el chip utiliza nanotubos de carbono, que son láminas de grafeno 2-D formadas en nanocilindros, y celdas de memoria resistiva de acceso aleatorio RRAM, un tipo de memoria no volátil que opera cambiando laresistencia de un material dieléctrico sólido. Los investigadores integraron más de 1 millón de células RRAM y 2 millones de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono, creando el sistema nanoelectrónico más complejo jamás creado con nanotecnologías emergentes.
La RRAM y los nanotubos de carbono se construyen verticalmente uno sobre el otro, creando una nueva arquitectura de computadora densa en 3-D con capas de lógica y memoria entrelazadas. Al insertar cables ultradensos entre estas capas, esta arquitectura en 3D promete abordar la comunicaciónembotellamiento.
Sin embargo, tal arquitectura no es posible con la tecnología existente basada en silicio, según el autor principal del artículo, Max Shulaker, quien es un miembro central de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT. "Los circuitos de hoy son 2-D, desde la construcción de silicio convencionaltransistores implica temperaturas extremadamente altas de más de 1,000 grados Celsius ", dice Shulaker." Si luego construye una segunda capa de circuitos de silicio en la parte superior, esa alta temperatura dañará la capa inferior de los circuitos ".
La clave de este trabajo es que los circuitos de nanotubos de carbono y la memoria RRAM se pueden fabricar a temperaturas mucho más bajas, por debajo de los 200 ° C. "Esto significa que se pueden construir en capas sin dañar los circuitos de debajo", dice Shulaker.
Esto proporciona varios beneficios simultáneos para los sistemas informáticos futuros. "Los dispositivos son mejores: la lógica hecha de nanotubos de carbono puede ser un orden de magnitud más eficiente en términos de energía en comparación con la lógica actual hecha de silicio, y de manera similar, RRAM puede ser más densa, más rápiday más eficiente energéticamente en comparación con la DRAM ", dice Wong, refiriéndose a una memoria convencional conocida como memoria dinámica de acceso aleatorio.
"Además de los dispositivos mejorados, la integración 3-D puede abordar otra consideración clave en los sistemas: las interconexiones dentro y entre los chips", agrega Saraswat.
"La nueva arquitectura de computadora 3-D proporciona una integración densa y detallada de la computación y el almacenamiento de datos, superando drásticamente el cuello de botella de mover datos entre chips", dice Mitra. "Como resultado, el chip puede almacenar cantidades masivasde datos y realizar un procesamiento en chip para transformar una avalancha de datos en información útil ".
Para demostrar el potencial de la tecnología, los investigadores aprovecharon la capacidad de los nanotubos de carbono para actuar también como sensores. En la capa superior del chip colocaron más de 1 millón de sensores basados en nanotubos de carbono, que utilizaron para detectar yclasificar los gases ambientales.
Debido a las capas de detección, almacenamiento de datos y computación, el chip pudo medir cada uno de los sensores en paralelo y luego escribir directamente en su memoria, generando un gran ancho de banda, dice Shulaker.
"Una gran ventaja de nuestra demostración es que es compatible con la infraestructura de silicio actual, tanto en términos de fabricación como de diseño", dice Howe.
"El hecho de que esta estrategia sea compatible con CMOS [semiconductor de óxido de metal complementario] y viable para una variedad de aplicaciones sugiere que es un paso significativo en el avance continuo de la Ley de Moore", dice Ken Hansen, presidente y director ejecutivode la Semiconductor Research Corporation, que apoyó la investigación. "Para mantener la promesa de la economía de la Ley de Moore, se requieren enfoques heterogéneos innovadores ya que la escala dimensional ya no es suficiente. Este trabajo pionero encarna esa filosofía".
El equipo está trabajando para mejorar las nanotecnologías subyacentes, mientras explora la nueva arquitectura de computadora 3-D. Para Shulaker, el siguiente paso es trabajar con la compañía de semiconductores con sede en Massachusetts Analog Devices para desarrollar nuevas versiones del sistema que aprovechen sucapacidad para realizar detección y procesamiento de datos en el mismo chip.
Entonces, por ejemplo, los dispositivos podrían usarse para detectar signos de enfermedad al detectar compuestos particulares en la respiración de un paciente, dice Shulaker.
"La tecnología no solo podría mejorar la computación tradicional, sino que también abre una gama completamente nueva de aplicaciones a las que podemos apuntar", dice. "Mis estudiantes ahora están investigando cómo podemos producir chips que hagan más que solo computación."
"Esta demostración de la integración 3-D de sensores, memoria y lógica es un desarrollo excepcionalmente innovador que aprovecha la tecnología CMOS actual con las nuevas capacidades de los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono", dice Sam Fuller, CTO emérito de Analog Devices, que no participó en la investigación. "Esto tiene el potencial de ser la plataforma para muchas aplicaciones revolucionarias en el futuro".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Helen Knight. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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