Poiché l'intelligenza incorporata sta trovando la sua strada in sempre più aree della nostra vita, campi che vanno dalla guida autonoma alla medicina personalizzata stanno generando enormi quantità di dati. Ma proprio mentre il flusso di dati sta raggiungendo proporzioni enormi, la capacità dei chip dei computer di trasformarle in informazioni utili è in stallo.

Ora, i ricercatori della Stanford University e del MIT hanno costruito un nuovo chip per superare questo ostacolo. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Natura , dell'autore principale Max Shulaker, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT. Shulaker ha iniziato il lavoro come studente di dottorato insieme a H.-S. Philip Wong e il suo consigliere Subhasish Mitra, professori di ingegneria elettrica e informatica a Stanford. Il team comprendeva anche i professori Roger Howe e Krishna Saraswat, anche da Stanford.

I computer odierni comprendono diversi chip messi insieme. C'è un chip per l'elaborazione e un chip separato per l'archiviazione dei dati, e le connessioni tra i due sono limitate. Poiché le applicazioni analizzano volumi di dati sempre più massicci, la velocità limitata con cui i dati possono essere spostati tra diversi chip sta creando un "collo di bottiglia" di comunicazione critico. E con proprietà immobiliari limitate sul chip, non c'è abbastanza spazio per metterli uno accanto all'altro, anche se sono stati miniaturizzati (fenomeno noto come legge di Moore).

A peggiorare le cose, i dispositivi sottostanti, transistor in silicio, non stanno più migliorando al ritmo storico che hanno avuto per decenni.

Il nuovo prototipo di chip rappresenta un cambiamento radicale rispetto ai chip di oggi. Utilizza molteplici nanotecnologie, insieme a una nuova architettura informatica, per invertire entrambe queste tendenze.

Invece di fare affidamento su dispositivi a base di silicio, il chip utilizza nanotubi di carbonio, che sono fogli di grafene 2-D formati in nanocilindri, e celle di memoria ad accesso casuale resistivo (RRAM), un tipo di memoria non volatile che opera modificando la resistenza di un materiale dielettrico solido. I ricercatori hanno integrato oltre 1 milione di celle RRAM e 2 milioni di transistor ad effetto di campo con nanotubi di carbonio, realizzare il sistema nanoelettronico più complesso mai realizzato con le nanotecnologie emergenti.

La RRAM e i nanotubi di carbonio sono costruiti verticalmente l'uno sull'altro, fare un nuovo, densa architettura del computer 3D con strati intercalati di logica e memoria. Inserendo fili ultradensi tra questi strati, questa architettura 3D promette di affrontare il collo di bottiglia della comunicazione.

Però, tale architettura non è possibile con la tecnologia esistente basata sul silicio, secondo l'autore principale del documento, Max Shulaker, che è un membro principale dei laboratori di tecnologia dei microsistemi del MIT. "I circuiti oggi sono 2-D, poiché la costruzione di transistor al silicio convenzionali comporta temperature estremamente elevate di oltre 1, 000 gradi Celsius, " dice Shulaker. "Se poi costruisci un secondo strato di circuiti in silicio sopra, quell'alta temperatura danneggerà lo strato inferiore dei circuiti."

La chiave di questo lavoro è che i circuiti di nanotubi di carbonio e la memoria RRAM possono essere fabbricati a temperature molto più basse, sotto i 200 C. "Ciò significa che possono essere costruiti a strati senza danneggiare i circuiti sottostanti, "dice Shulaker.

Ciò fornisce diversi vantaggi simultanei per i futuri sistemi di elaborazione. "I dispositivi sono migliori:la logica realizzata con nanotubi di carbonio può essere un ordine di grandezza più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla logica odierna fatta di silicio, e similmente, RRAM può essere più densa, Più veloce, e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla DRAM, "Wong dice, riferendosi a una memoria convenzionale nota come memoria dinamica ad accesso casuale.

"Oltre ai dispositivi migliorati, L'integrazione 3D può affrontare un'altra considerazione chiave nei sistemi:le interconnessioni all'interno e tra i chip, " aggiunge Saraswat.

"La nuova architettura del computer 3D fornisce un'integrazione densa e dettagliata di elaborazione e archiviazione dei dati, superando drasticamente il collo di bottiglia dovuto allo spostamento dei dati tra i chip, " dice Mitra. "Di conseguenza, il chip è in grado di memorizzare enormi quantità di dati ed eseguire elaborazioni su chip per trasformare una marea di dati in informazioni utili."

Per dimostrare il potenziale della tecnologia, i ricercatori hanno sfruttato la capacità dei nanotubi di carbonio di agire anche come sensori. Sullo strato superiore del chip hanno posizionato oltre 1 milione di sensori basati su nanotubi di carbonio, utilizzati per rilevare e classificare i gas ambientali.

A causa della stratificazione del rilevamento, archivio dati, e informatica, il chip è stato in grado di misurare ciascuno dei sensori in parallelo, e poi scrivi direttamente nella sua memoria, generando un'enorme larghezza di banda, dice Shulaker.

"Un grande vantaggio della nostra dimostrazione è che è compatibile con l'infrastruttura di silicio di oggi, sia in termini di fabbricazione che di design, "dice Howe.

"Il fatto che questa strategia sia compatibile con CMOS [complementare metallo-ossido-semiconduttore] e praticabile per una varietà di applicazioni suggerisce che si tratta di un passo significativo nel continuo avanzamento della legge di Moore, "dice Ken Hansen, presidente e CEO della Semiconductor Research Corporation, che ha sostenuto la ricerca. "Per sostenere la promessa dell'economia della Legge di Moore, sono necessari approcci innovativi ed eterogenei in quanto lo scaling dimensionale non è più sufficiente. Questo lavoro pionieristico incarna quella filosofia."

Il team sta lavorando per migliorare le nanotecnologie sottostanti, esplorando la nuova architettura del computer 3-D. Per Shulaker, il prossimo passo è lavorare con la società di semiconduttori del Massachusetts Analog Devices per sviluppare nuove versioni del sistema che sfruttano la sua capacità di eseguire il rilevamento e l'elaborazione dei dati sullo stesso chip.

Così, Per esempio, i dispositivi potrebbero essere utilizzati per rilevare segni di malattia rilevando particolari composti nel respiro di un paziente, dice Shulaker.

"La tecnologia potrebbe non solo migliorare l'informatica tradizionale, ma apre anche una gamma completamente nuova di applicazioni a cui possiamo rivolgerci, " dice. "I miei studenti stanno ora studiando come possiamo produrre chip che facciano qualcosa di più del semplice calcolo".

"Questa dimostrazione dell'integrazione 3-D dei sensori, memoria, and logic è uno sviluppo eccezionalmente innovativo che sfrutta l'attuale tecnologia CMOS con le nuove capacità dei transistor ad effetto di campo con nanotubi di carbonio, "dice Sam Fuller, CTO emerito di Analog Devices, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Questo ha il potenziale per essere la piattaforma per molte applicazioni rivoluzionarie in futuro".