Από την Κίνα ο πρώτος υβριδικός 2D επεξεργαστής με πυρίτιο: Ρεκόρ ταχύτητας και 94% απόδοση

Στο εργαστήριο του Fudan University στη Σανγκάη, μια ομάδα ερευνητών παρουσίασε κάτι που μέχρι πρόσφατα φαινόταν σχεδόν αδύνατο: το πρώτο πλήρως υβριδικό chip μνήμης που συνδυάζει δισδιάστατα (2D) υλικά με παραδοσιακό πυρίτιο. Το επίτευγμα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, υπόσχεται να αλλάξει ριζικά την πορεία της βιομηχανίας των microchips, φέρνοντας ταχύτητες και αποδόσεις που ξεπερνούν τα όρια των σημερινών flash memories.

Το νέο chip καταφέρνει κάτι εντυπωσιακό ακόμη και για τα δεδομένα ενός πειραματικού πρωτοτύπου: παρουσιάζει απόδοση 94,3% στις λειτουργικές κυψέλες μνήμης, εκτελεί οκταψήφιες (eight-bit) πράξεις και 32-bit παράλληλους υπολογισμούς με τυχαία πρόσβαση. Με άλλα λόγια, προσφέρει επιδόσεις που αγγίζουν το ιδανικό για μια τεχνολογία που μέχρι τώρα υπήρχε μόνο σε θεωρητικά μοντέλα.

Η πραγματική είδηση, όμως, είναι η ταχύτητα. Το υβριδικό chip του Fudan υπερβαίνει σε επιδόσεις τις πιο γρήγορες εμπορικές flash μνήμες της αγοράς, ενώ καταναλώνει πολύ λιγότερη ενέργεια. Αυτό το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές που απαιτούν γρήγορη πρόσβαση σε τεράστιες ποσότητες δεδομένων — όπως η τεχνητή νοημοσύνη, η ανάλυση big data και οι υπερυπολογιστές επόμενης γενιάς.

Η καινοτομία στηρίζεται σε μια φαινομενικά απλή, αλλά τεχνικά εξαιρετικά απαιτητική ιδέα: τη συνένωση δισδιάστατων υλικών —μόλις λίγων ατόμων σε πάχος— με πυριτιούχα κυκλώματα CMOS, τη βάση πάνω στην οποία στηρίζεται σχεδόν κάθε chip που κυκλοφορεί σήμερα. Η πρόκληση είναι ότι τα δύο αυτά υλικά έχουν πολύ διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Οι επιφάνειες του πυριτίου δεν είναι ποτέ απόλυτα ομαλές, ενώ τα 2D υλικά απαιτούν σχεδόν τέλεια επίπεδη επιφάνεια για να διατηρούν την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα.

Ο Zhou Peng, μέλος της ερευνητικής ομάδας, έκανε μια εύστοχη παρομοίωση:

Είναι σαν να προσπαθείς να απλώσεις μια μεμβράνη πάνω στην πόλη της Σανγκάης. Από το Διάστημα φαίνεται επίπεδη, αλλά στην πραγματικότητα είναι γεμάτη εξογκώματα και ουρανοξύστες. Το υλικό μας πρέπει να προσαρμόζεται σε αυτές τις ανωμαλίες χωρίς να διαλύεται.

Για να το πετύχουν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια αρθρωτή (modular) προσέγγιση: τοποθέτησαν τα 2D υλικά πάνω σε υποστρώματα CMOS και τα συνέδεσαν μέσω μονολιθικών διασυνδέσεων υψηλής πυκνότητας. Αυτή η τεχνική επέτρεψε στα δύο υλικά να «επικοινωνούν» ηλεκτρονικά με απίστευτη ταχύτητα και σταθερότητα, δημιουργώντας έναν πραγματικά ενιαίο μηχανισμό.

Η ομάδα της Fudan δεν είναι άγνωστη στον χώρο των ατομικών υλικών. Τον περασμένο Απρίλιο, είχε ήδη ανακοινώσει το PoX 2D Flash — ένα πρωτότυπο chip ικανό να προγραμματίζει δεδομένα σε μόλις 400 picoseconds, ρυθμός ρεκόρ για την αποθήκευση ηλεκτρικών φορτίων. Η νέα τους δημιουργία, ωστόσο, πάει ένα βήμα παραπέρα: δεν πρόκειται πλέον για ένα μεμονωμένο πείραμα, αλλά για μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα που μπορεί να παραχθεί βιομηχανικά σε μεγάλη κλίμακα.

Στόχος των ερευνητών είναι η τεχνολογία να περάσει σε πιλοτική παραγωγή μέσα στα επόμενα τρία έως πέντε χρόνια, ξεκινώντας από μνήμες μερικών megabytes. «Συμπυκνώσαμε μια διαδικασία ανάπτυξης που συνήθως απαιτεί δεκαετίες», εξηγεί ο Liu Chunsen, επικεφαλής του έργου. «Η άμεση ενσωμάτωση νέων υλικών στα κυκλώματα CMOS μάς επιτρέπει να επιταχύνουμε δραματικά την πορεία προς την εμπορική εφαρμογή».

Σύμφωνα με τον Zhou, τα πρώτα προϊόντα που θα επωφεληθούν από αυτή τη νέα αρχιτεκτονική θα είναι οι μνήμες, καθώς έχουν μικρότερες απαιτήσεις ποιότητας υλικού σε σχέση με τους λογικούς επεξεργαστές. Παρ’ όλα αυτά, τα οφέλη σε ενεργειακή απόδοση, μέγεθος και ταχύτητα ενδέχεται να επεκταθούν σύντομα σε ολόκληρη τη βιομηχανία των ημιαγωγών.

Η προοπτική είναι τεράστια, ειδικά για την τεχνητή νοημοσύνη, όπου η ταχύτητα πρόσβασης στα δεδομένα αποτελεί σήμερα το μεγαλύτερο εμπόδιο. Ένα chip που συνδυάζει τη σταθερότητα του πυριτίου με την ταχύτητα των 2D υλικών θα μπορούσε να καταργήσει αυτό το όριο, οδηγώντας σε νέες γενιές συστημάτων που μαθαίνουν και επεξεργάζονται πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο.

[source]