Новый чип, вдохновлённый мозгом человека, может резко сократить энергопотребление ИИ

Исследователи из Кембриджского университета опубликовали в начале этого месяца статью в журнале Science Advances, описывающую новый тип мемристоров на основе оксида гафния. Ключевая особенность новой технологии заключается в том, что она работает при токах переключения примерно в миллион раз ниже, чем у обычных устройств на основе оксидов.

Изображение: SK Hynix

Команда под руководством доктора Бабака Бахита из Департамента материаловедения и металлургии Кембриджа создала многокомпонентную тонкую плёнку, которая формирует внутренний p-n переход. Это позволяет устройству плавно переключать состояния при токах ниже 10 наноампер, одновременно создавая сотни различных уровней проводимости.

Мемристоры — это двухконтактные устройства, которые могут хранить и обрабатывать данные в одном физическом месте, устраняя энергоёмкую пересылку данных между отдельными блоками памяти и обработки в традиционных компьютерных архитектурах. Согласно статье, нейроморфные системы, построенные из мемристоров, могут снизить энергопотребление вычислений более чем на 70%.

Большинство существующих мемристоров на основе HfO2 полагаются на нитевидное резистивное переключение, когда проводящие пути растут и разрушаются внутри оксида. Эти нити демонстрируют стохастическое поведение, что приводит к плохой однородности от устройства к устройству и от цикла к циклу, что ограничивает вычислительную точность.

Другой подход — добавление стронция и титана

Кембриджская команда выбрала другой путь, добавив стронций и титан в оксид гафния и нанеся плёнку в два этапа. В результате был создан p-типный слой Hf(Sr,Ti)O2, который самоорганизуется в p-n гетеропереход с нижележащим n-типным слоем оксинитрида титана. Изменение сопротивления происходит за счёт сдвига высоты энергетического барьера на этой границе, а не за счёт роста или разрыва нитей.

«Нитевидные устройства страдают от случайного поведения, — сказал Бахит в пресс-релизе Кембриджа, анонсирующем работу. — Но поскольку наши устройства переключаются на границе раздела, они демонстрируют выдающуюся однородность от цикла к циклу и от устройства к устройству».

Устройства продемонстрировали токи переключения на уровне или ниже 10^-8 ампер, время сохранения данных более 10⁵ секунд и выносливость свыше 50 000 циклов импульсного переключения. Используя идентичные импульсы в 1,0 В, сравнимые с биологическими нейронными сигналами, исследователи достигли диапазона модуляции проводимости, превышающего 50 раз, на сотнях различных уровней без насыщения.

Энергия синаптического обновления варьировалась от примерно 2,5 пикоджоулей до около 45 фемтоджоулей. Устройства также воспроизводили пластичность, зависящую от времени спайков, и поддерживали стабильную синаптическую работу на протяжении примерно 40 000 электронных спайков.

Одно значительное препятствие остаётся

Текущий процесс осаждения требует температур около 700°C, что превышает стандартные допуски производства КМОП-микросхем.

«В настоящее время это основная проблема в нашем процессе изготовления устройств, — сказал Бахит. — Но сейчас мы работаем над способами снижения температуры, чтобы сделать его более совместимым со стандартными промышленными процессами».

Все материалы, используемые в структуре устройства, полностью совместимы с КМОП-технологией, и патентная заявка была подана через Cambridge Enterprise.

Источник: Tomshardware.com