Un traguardo nel campo dell'informatica: processore 2D in memoria con oltre 1000 transistor

Un team di ricercatori dell'EPFL ha progettato un processore in-memory ad alta efficienza energetica con l'uso di MoS2 e integrato più di 1000 transistor. Questo processore ad alta efficienza energetica è in grado di eseguire un'efficiente moltiplicazione di matrici vettoriali e rappresenta un allontanamento dall'architettura von Neumann comunemente utilizzata. L’invenzione potrebbe potenzialmente migliorare l’industria europea dei semiconduttori.

Il primo processore in-memory su larga scala dei ricercatori dell'EPFL, che utilizza materiali semiconduttori 2D, ha il potenziale per ridurre significativamente il consumo energetico del settore ICT.

L’impronta globale di CO2 delle attuali tecnologie dell’informazione e della comunicazione (ICT) è grande quanto quella dell’industria aeronautica a causa della conversione dell’elettricità in calore durante l’elaborazione dei dati. È interessante notare che una parte significativa dell'energia utilizzata dai processori dei computer non viene utilizzata nelle attività di calcolo, ma viene piuttosto utilizzata nel trasferimento di byte dalla memoria al processore.

Il 13 novembre sulla rivista Nature Electronics è stato pubblicato un articolo di ricerca in cui i ricercatori della Scuola di Ingegneria dell’EPFL del Laboratorio di Elettronica e Strutture su scala nanometrica (LANES) hanno inventato un nuovo processore. Questo processore è caratterizzato da una caratteristica unica di integrazione dell'elaborazione e dell'archiviazione dei dati su un singolo dispositivo, noto come processore in-memory. È il primo processore in-memory ad essere basato su un materiale semiconduttore bidimensionale e a contenere più di 1000 transistor, il che rappresenta un passo importante verso la produzione industriale.

Un articolo identico è stato pubblicato sulla rivista Nature Electronics dagli stessi ricercatori della Scuola di Ingegneria dell'EPFL di LANES, dove hanno sottolineato la creazione del nuovo processore in-memory in grado di integrare l'elaborazione e l'archiviazione dei dati su un unico dispositivo. Questa ricerca rappresenta il primo caso di processore in-memory basato su un materiale semiconduttore bidimensionale e contenente più di 1000 transistor, segnando un passo fondamentale nella direzione della produzione industriale. Credito: 2023 EPFL / Alan Herzog

Andras Kis, il leader della ricerca, sostiene che la ragione principale dietro l'inefficienza delle attuali CPU è la progettazione dell'architettura von Neumann che separa i componenti utilizzati per eseguire calcoli e archiviare dati. A causa di questa separazione, i processori devono spostare le cariche elettroniche e trasmettere corrente per recuperare i dati dalla memoria per i calcoli, il che si traduce in una dissipazione di energia.

L'architettura von Neumann era vantaggiosa fino a circa due decenni fa, quando erano necessari dispositivi diversi per l'archiviazione e l'elaborazione dei dati. Tuttavia, negli ultimi anni si sono viste diverse alternative efficaci a questa architettura. Per unire l'archiviazione e l'elaborazione dei dati in un processore in-memory più generale, il laboratorio di Kis ha esplorato metodi efficaci con l'uso di un materiale semiconduttore, il disolfuro di molibdeno (MoS2).

Nel loro articolo pubblicato su Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, assistente di dottorato presso LANES, e i suoi co-ricercatori hanno introdotto un processore in memoria basato su MoS2 progettato per uno dei compiti fondamentali nell'elaborazione dei dati: la moltiplicazione di matrici vettoriali. Migliorarne l’efficienza potrebbe portare a notevoli risparmi energetici nell’intero settore ICT.

Il loro innovativo processore integra 1024 elementi su un chip di un centimetro. Ogni elemento è composto da un transistor 2D MoS2 oltre a un gate flottante che immagazzina una carica controllando la conduttività di ciascun transistor. Unendo memoria ed elaborazione, il calcolo viene modificato in modo significativo. Secondo Kis, gestendo la conduttività di ciascun transistor, la moltiplicazione della matrice vettoriale analogica può essere facilmente eseguita in un unico passaggio applicando tensione al processore e valutando l'uscita.

Il materiale scelto per la costruzione del processore in-memory, MoS2, ha svolto un ruolo cruciale nell'invenzione. Il MoS2, un materiale semiconduttore, è essenziale per lo sviluppo dei transistor. A differenza del silicio, ampiamente utilizzato negli attuali processori dei computer, il MoS2 crea un monostrato stabile con uno spessore di soli tre atomi. Inoltre, mostra un'interazione trascurabile con l'ambiente circostante. Grazie alla sua sottigliezza è possibile progettare dispositivi molto compatti. Inoltre, il laboratorio di Kis ha familiarità con questo materiale. Nel 2010, hanno sviluppato il loro primo transistor MoS2 utilizzando un monostrato di materiale staccato da un cristallo con nastro adesivo.

Negli ultimi 13 anni, i loro processi sono maturati sostanzialmente, e il contributo di Migliato Marega ha giocato un ruolo chiave. “Il progresso fondamentale nel passaggio da un singolo transistor a oltre 1.000 è stata la qualità del materiale che possiamo depositare. Dopo numerose ottimizzazioni del processo, ora possiamo produrre interi wafer ricoperti da uno strato omogeneo di MoS2 uniforme. Ciò ci consente di adottare strumenti standard del settore per progettare circuiti integrati su un computer e tradurre questi progetti in circuiti fisici, aprendo la porta alla produzione di massa”, afferma Kis.

A parte il suo valore puramente scientifico, Kis vede questo risultato come una testimonianza dell'importanza di una stretta collaborazione scientifica tra la Svizzera e l'UE, in particolare nel contesto dell'European Chips Act, che mira a rafforzare la competitività e la resilienza dell'Europa nelle tecnologie dei semiconduttori e applicazioni. «Il finanziamento dell’UE è stato fondamentale sia per questo progetto che per quelli che lo hanno preceduto, compreso quello che ha finanziato il lavoro sul primo transistor MoS2, dimostrando quanto sia importante per la Svizzera», afferma Kis.

“Allo stesso tempo, mostra come il lavoro svolto in Svizzera può avvantaggiare l’UE nel tentativo di rinvigorire la fabbricazione di componenti elettronici. Invece di correre la stessa corsa di tutti gli altri, l’UE potrebbe, ad esempio, concentrarsi sullo sviluppo di architetture di elaborazione non von Neumann per acceleratori di intelligenza artificiale e altre applicazioni emergenti. Definendo la propria corsa, il continente potrebbe ottenere un vantaggio per assicurarsi una posizione forte in futuro”, conclude.