计算领域的里程碑：拥有 1000 多个晶体管的 2D 内存处理器

由 EPFL 研究人员开发的首款使用 2D 半导体材料的大型内存处理器可以大幅减少 ICT 行业的能源足迹。

当信息和通信技术 (ICT) 处理数据时，它们会将电能转化为热量。 如今，全球 ICT 生态系统的二氧化碳足迹已与航空业相媲美。 然而事实证明，计算机处理器消耗的大部分能量并没有用于执行计算。 相反，用于处理数据的大部分能量都花在了内存和处理器之间的字节传输上。

在 11 月 13 日《自然电子》杂志上发表的一篇论文中，洛桑联邦理工学院纳米电子与结构实验室 (LANES) 工程学院的研究人员提出了一种新处理器，通过将数据处理和存储集成到单个设备上来解决这种低效率问题。 所谓的内存处理器。 他们开辟了新天地，创造了第一个基于二维半导体材料的内存处理器，包含 1000 多个晶体管，这是工业生产道路上的一个重要里程碑。

冯·诺依曼的遗产

该研究的领导者 Andras Kis 表示，当今 CPU 效率低下的罪魁祸首是普遍采用的冯·诺依曼架构。 具体来说，用于执行计算和存储数据的组件的物理分离。 由于这种分离，处理器需要从内存中检索数据来执行计算，这涉及移动电荷、电容器充电和放电以及沿线路传输电流，所有这些都会消耗能量。

直到大约 20 年前，这种架构才有意义，因为数据存储和处理需要不同类型的设备。 但冯诺依曼架构越来越受到更高效替代方案的挑战。 “如今，人们正在不断努力将存储和处理合并到更通用的内存处理器中，其中包含既可用作内存又可用作晶体管的元件，”Kis 解释道。 他的实验室一直在探索使用半导体材料二硫化钼 (MoS2) 来实现这一目标的方法。

一种新的二维处理器架构

LANES 博士助理 Guilherme Migliato Marega 及其合著者在《自然电子》论文中提出了一种基于 MoS2 的内存处理器，专用于数据处理中的基本运算之一：向量矩阵乘法。 这种操作在数字信号处理和人工智能模型的实现中无处不在。 其效率的提高可以为整个 ICT 行业带来大量的能源节约。

他们的处理器将 1024 个元件组合到一个一厘米的芯片上。 每个元件都包含一个 2D MoS2 晶体管以及一个浮动栅极，用于在其存储器中存储电荷，以控制每个晶体管的导电性。 以这种方式耦合处理和内存从根本上改变了处理器执行计算的方式。 “通过设置每个晶体管的电导率，我们可以通过向处理器施加电压并测量输出来一步执行模拟矢量矩阵乘法，”Kis 解释道。

距离实际应用又近了一大步

材料 MoS2 的选择在内存处理器的开发中发挥了至关重要的作用。 首先，MoS2 是一种半导体——这是晶体管发展的要求。 与当今计算机处理器中使用最广泛的半导体硅不同，MoS2 形成稳定的单层，只有三个原子厚，仅与周围环境发生微弱的相互作用。 它的薄度提供了生产极其紧凑的设备的潜力。 最后，这是基斯实验室熟悉的材料。 2010 年，他们使用透明胶带从晶体上剥离的单层材料创建了第一个单 MoS2 晶体管。

在过去 13 年中，他们的流程已显着成熟，其中 Migliato Marega 的贡献发挥了关键作用。 “从单个晶体管发展到超过 1000 个晶体管的关键进步在于我们可以沉积的材料的质量。 经过大量工艺优化后，我们现在可以生产覆盖均匀 MoS2 均匀层的整个晶圆。 这让我们能够采用行业标准工具在计算机上设计集成电路，并将这些设计转化为物理电路，从而为大规模生产打开了大门。”Kis 说道。

振兴欧洲芯片制造

除了纯粹的科学价值外，基斯还认为这一结果证明了瑞士和欧盟之间密切科学合作的重要性，特别是在《欧洲芯片法案》的背景下，该法案旨在增强欧洲在半导体技术和芯片领域的竞争力和弹性。 应用程序。 “欧盟的资金对于这个项目和之前的项目都至关重要，包括为第一个 MoS2 晶体管的工作提供资金的项目，这表明它对瑞士有多么重要，”基斯说。

“与此同时，它表明在瑞士开展的工作如何能够使欧盟在寻求重振电子制造方面受益。 例如，欧盟可以专注于为人工智能加速器和其他新兴应用开发非冯·诺依曼处理架构，而不是与其他人进行同样的竞赛。 通过定义自己的种族，非洲大陆可以抢占先机，确保未来的强势地位。”他总结道。