Ein Meilenstein in der Computertechnik: 2D In-Memory-Prozessor mit über 1000 Transistoren

EPFL-Forscher haben einen energieeffizienten In-Memory-Prozessor mit MoS2 entwickelt, der über 1000 Transistoren kombiniert. Dieser Prozessor, der effizient Vektor-Matrix-Multiplikationen durchführt, stellt eine Abkehr von der traditionellen von Neumann-Architektur dar und könnte die europäische Halbleiterindustrie stärken.

Entwickelt von EPFL-Forschern, könnte der erste groß angelegte In-Memory-Prozessor mit 2D-Halbleitermaterialien den Energieverbrauch des IKT-Sektors erheblich reduzieren.

Während Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) Daten verarbeiten, wandeln sie Elektrizität in Wärme um. Bereits heute steht der CO2-Fußabdruck des globalen IKT-Ökosystems dem der Luftfahrt in nichts nach. Es stellt sich jedoch heraus, dass ein großer Teil der Energie, die von Computerprozessoren verbraucht wird, nicht für Berechnungen verwendet wird. Stattdessen wird der Großteil der Energie, die für die Datenverarbeitung aufgewendet wird, für den Datentransport zwischen dem Speicher und dem Prozessor verwendet.

In einem am 13. November in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Artikel präsentieren Forscher der School of Engineering der EPFL im Labor für Nanoskalenelektronik und -strukturen (LANES) einen neuen Prozessor, der dieses ineffiziente Verhalten durch Integration von Datenverarbeitung und -speicherung in einem einzigen Gerät, einem sogenannten In-Memory-Prozessor, behebt. Sie haben durch die Schaffung des ersten In-Memory-Prozessors auf der Grundlage eines zweidimensionalen Halbleitermaterials mit mehr als 1000 Transistoren einen Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Produktion erreicht.

In einem Artikel in der Zeitschrift Nature Electronics präsentieren Forscher der School of Engineering der EPFL im Labor für Nanoskalenelektronik und -strukturen (LANES) einen neuen Prozessor, der dieses ineffiziente Verhalten durch Integration von Datenverarbeitung und -speicherung in einem einzigen Gerät, einem sogenannten In-Memory-Prozessor, behebt. Sie haben durch die Schaffung des ersten In-Memory-Prozessors auf der Grundlage eines zweidimensionalen Halbleitermaterials mit mehr als 1000 Transistoren einen Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Produktion erreicht. Credit: 2023 EPFL / Alan Herzog

Nach Angaben von Andras Kis, der die Studie leitete, ist die Hauptursache für die Ineffizienz heutiger CPUs die allgemein anerkannte von-Neumann-Architektur. Insbesondere die physische Trennung der Komponenten, die zur Durchführung von Berechnungen und zur Speicherung von Daten verwendet werden. Aufgrund dieser Trennung müssen Prozessoren Daten aus dem Speicher abrufen, um Berechnungen durchzuführen, was mit dem Verschieben von elektrischen Ladungen, dem Aufladen und Entladen von Kondensatoren und dem Übertragen von Strömen entlang von Leitungen verbunden ist - allesamt energieaufwändige Prozesse.

Bis vor etwa 20 Jahren war diese Architektur sinnvoll, da für die Datenspeicherung und -verarbeitung verschiedene Arten von Geräten erforderlich waren. Aber die von-Neumann-Architektur wird zunehmend durch effizientere Alternativen herausgefordert. "Heute gibt es laufende Bemühungen, Speicherung und Verarbeitung in universellen In-Memory-Prozessoren zu verschmelzen, die Elemente enthalten, die sowohl als Speicher als auch als Transistor funktionieren", erklärt Kis. Sein Labor hat Möglichkeiten erforscht, dieses Ziel mithilfe von Molybdändisulfid (MoS2), einem Halbleitermaterial, zu erreichen.

In ihrem Artikel in Nature Electronics präsentieren Guilherme Migliato Marega, Doktorand am LANES, und seine Co-Autoren einen MoS2-basierten In-Memory-Prozessor, der einer der grundlegenden Vorgänge in der Datenverarbeitung, die Vektor-Matrix-Multiplikation, gewidmet ist. Diese Operation ist allgegenwärtig in der digitalen Signalverarbeitung und der Implementierung von künstlichen Intelligenzmodellen. Verbesserungen in ihrer Effizienz könnten erhebliche Energieeinsparungen im gesamten IKT-Sektor ermöglichen.

Ihr Prozessor kombiniert 1024 Elemente auf einem ein mal ein Zentimeter großen Chip. Jedes Element besteht aus einem 2D-MoS2-Transistor sowie einem Floating Gate, das verwendet wird, um eine Ladung in seinem Speicher zu speichern, die die Leitfähigkeit jedes Transistors steuert. Durch die Kombination von Verarbeitung und Speicherung auf diese Weise ändert sich grundlegend, wie der Prozessor die Berechnung durchführt. "Indem wir die Leitfähigkeit jedes Transistors einstellen, können wir eine analoge Vektor-Matrix-Multiplikation in einem einzigen Schritt durchführen, indem wir Spannungen an unseren Prozessor anlegen und das Ergebnis messen", erklärt Kis.

Die Wahl des Materials - MoS2 - spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung ihres In-Memory-Prozessors. Zum einen ist MoS2 ein Halbleiter - eine Voraussetzung für die Entwicklung von Transistoren. Im Gegensatz zu Silizium, dem am weitesten verbreiteten Halbleiter in heutigen Computerprozessoren, bildet MoS2 eine stabile Monoschicht, die nur drei Atome dick ist und nur schwach mit ihrer Umgebung wechselwirkt. Seine Dünne bietet das Potenzial zur Herstellung äußerst kompakter Geräte. Schließlich ist es ein Material, mit dem Kis' Labor gut vertraut ist. Im Jahr 2010 haben sie ihren ersten einzelnen MoS2-Transistor mit einer Monoschicht des Materials, die mit einem Tesafilm von einem Kristall abgezogen wurde, hergestellt.

Over the past 13 years, their processes have matured substantially, with Migliato Marega’s contributions playing a key role. “The key advance in going from a single transistor to over 1000 was the quality of the material that we can deposit. After a lot of process optimization, we can now produce entire wafers covered with a homogenous layer of uniform MoS2. This lets us adopt industry standard tools to design integrated circuits on a computer and translate these designs into physical circuits, opening the door to mass production,” says Kis.

Aside from its purely scientific value, Kis sees this result as a testament to the importance of close scientific collaboration between Switzerland and the EU, in particular in the context of the European Chips Act, which aims to bolster Europe’s competitiveness and resilience in semiconductor technologies and applications. “EU funding was crucial for both this project and those that preceded it, including the one that financed the work on the first MoS2 transistor, showing just how important it is for Switzerland,” says Kis.

“At the same time, it shows how work carried out in Switzerland can benefit the EU as it seeks to reinvigorate electronics fabrication. Rather than running the same race as everyone else, the EU could, for example, focus on developing non-von Neumann processing architectures for AI accelerators and other emerging applications. By defining its own race, the continent could get a head start to secure a strong position in the future,” he concludes.

Reference: “A large-scale integrated vector–matrix multiplication processor based on monolayer molybdenum disulfide memories” by Guilherme Migliato Marega, Hyun Goo Ji, Zhenyu Wang, Gabriele Pasquale, Mukesh Tripathi, Aleksandra Radenovic and Andras Kis, 13 November 2023, Nature Electronics.DOI: 10.1038/s41928-023-01064-1