Un hito en la informática: Procesador 2D en Memoria con más de 1000 transistores.

Investigadores de EPFL han creado un procesador en memoria eficiente en energía utilizando MoS2, combinando más de 1000 transistores. Este procesador, que realiza eficientemente la multiplicación de vectores y matrices, representa un cambio en la arquitectura tradicional de von Neumann y podría impulsar la industria de semiconductores europea.

Desarrollado por investigadores de EPFL, el primer procesador en memoria a gran escala utilizando materiales semiconductores en 2D podría reducir sustancialmente la huella energética del sector de las TIC.

A medida que las tecnologías de la información y comunicación (TIC) procesan datos, convierten la electricidad en calor. Hoy en día, la huella de CO2 del ecosistema global de TIC rivaliza con la de la aviación. Sin embargo, resulta que gran parte de la energía consumida por los procesadores de computadoras no se utiliza para realizar cálculos. En su lugar, la mayor parte de la energía utilizada para procesar datos se gasta en el traslado de bytes entre la memoria y el procesador.

En un artículo publicado el 13 de noviembre en la revista Nature Electronics, investigadores de la Escuela de Ingeniería de EPFL en el Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Escala Nanométrica (LANES) presentan un nuevo procesador que aborda esta ineficiencia al integrar el procesamiento y almacenamiento de datos en un único dispositivo, un procesador en memoria. Rompieron barreras al crear el primer procesador en memoria basado en un material semiconductor bidimensional que comprende más de 1000 transistores, un hito clave en el camino hacia la producción industrial.

En un artículo publicado en la revista Nature Electronics, investigadores de la Escuela de Ingeniería de EPFL en el Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Escala Nanométrica (LANES) presentan un nuevo procesador que aborda esta ineficiencia al integrar el procesamiento y almacenamiento de datos en un único dispositivo, un procesador en memoria. Rompieron barreras al crear el primer procesador en memoria basado en un material semiconductor bidimensional que comprende más de 1000 transistores, un hito clave en el camino hacia la producción industrial. Crédito: 2023 EPFL / Alan Herzog

Según Andras Kis, quien dirigió el estudio, el principal culpable de la ineficiencia de las CPUs actuales es la arquitectura de von Neumann universalmente adoptada. Específicamente, la separación física de los componentes utilizados para realizar cálculos y almacenar datos. Debido a esta separación, los procesadores necesitan recuperar datos de la memoria para realizar cálculos, lo que implica mover cargas eléctricas, cargar y descargar condensadores y transmitir corrientes a lo largo de líneas, todo lo cual disipa energía.

Hasta hace unos 20 años, esta arquitectura tenía sentido, ya que se requerían diferentes tipos de dispositivos para el almacenamiento y procesamiento de datos. Pero la arquitectura de von Neumann está siendo desafiada cada vez más por alternativas más eficientes. "Hoy en día, se están llevando a cabo esfuerzos para fusionar el almacenamiento y el procesamiento en procesadores en memoria más universales que contienen elementos que funcionan tanto como memoria como transistores", explica Kis. Su laboratorio ha estado explorando formas de lograr este objetivo utilizando disulfuro de molibdeno (MoS2), un material semiconductor.

En su artículo de Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, asistente doctoral en LANES, y sus coautores presentan un procesador en memoria basado en MoS2 dedicado a una de las operaciones fundamentales en el procesamiento de datos: la multiplicación de vectores y matrices. Esta operación es ubicua en el procesamiento digital de señales y la implementación de modelos de inteligencia artificial. Mejoras en su eficiencia podrían generar ahorros de energía sustanciales en todo el sector de las TIC.

Su procesador combina 1024 elementos en un chip de un centímetro cuadrado. Cada elemento consta de un transistor de MoS2 bidimensional y una puerta flotante, utilizada para almacenar una carga en su memoria que controla la conductividad de cada transistor. El acoplamiento del procesamiento y la memoria de esta manera cambia fundamentalmente cómo el procesador realiza el cálculo. "Al establecer la conductividad de cada transistor, podemos realizar una multiplicación de vectores y matrices analógica en un solo paso aplicando voltajes a nuestro procesador y midiendo la salida", explica Kis.

La elección del material, MoS2, desempeñó un papel vital en el desarrollo de su procesador en memoria. En primer lugar, MoS2 es un semiconductor, un requisito para el desarrollo de transistores. A diferencia del silicio, el semiconductor más utilizado en los procesadores de computadoras de hoy en día, MoS2 forma una capa monomolecular estable de solo tres átomos de grosor que solo interactúa débilmente con su entorno. Su delgadez ofrece el potencial de producir dispositivos extremadamente compactos. Por último, es un material que el laboratorio de Kis conoce bien. En 2010, crearon su primer transistor de MoS2 utilizando una capa monomolecular del material despegada de un cristal con cinta adhesiva Scotch.

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