Гибридные мемристорные чипы искусственного интеллекта могут масштабироваться
Объединив атомно-тонкие устройства с обычными микрочипами, ученые создали гибридную электронику, имитирующую мозг, которая может помочь реализовать системы искусственного интеллекта на основе нейронных сетей гораздо более энергоэффективным способом, чем стандартная электроника, говорится в новом исследовании.
Поскольку электроника становится все меньше и меньше, ученые исследуют атомно тонкие 2D-материалы для электроники следующего поколения. Например, графен состоит из одиночных слоев атомов углерода, а дисульфид молибдена состоит из листа атомов молибдена, зажатого между двумя слоями атомов серы.
«Двумерные материалы не только обладают современными электрическими характеристиками, но также обладают выдающимися термическими, механическими, оптическими и химическими свойствами, что может привести к новым применениям, которых сейчас не существует», — говорит старший автор исследования Марио. Ланца, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете науки и технологий имени короля Абдаллы в Тувале, Саудовская Аравия.
«Большинство людей специализируются на полупроводниках. Мы являемся экспертами в изоляторах», — Марио Ланца, Университет науки и технологий имени короля Абдаллы.
Несколько исследовательских групп разработали прототипы устройств на основе 2D-материалов. Однако ни один из них не продемонстрировал способность вычислять или хранить данные. Кроме того, их производство в основном основывалось на методах синтеза и обработки, которые несовместимы со стандартными отраслевыми технологиями. Кроме того, манипулирование однослойными 2D-материалами является сложной задачей, поскольку дефекты могут возникать при их переносе с поверхностей, на которых они выращены, на подложки, более полезные для приложений. Эти дефекты снижают стабильность и производительность устройства.
Теперь ученые создали, по их словам, первый плотноинтегрированный микрочип, изготовленный из 2D-материалов, используя процессы, совместимые с полупроводниковой промышленностью. «Мы добились не только превосходных свойств, но также высокой урожайности и низкой изменчивости», — говорит Ланца.
В новом исследовании ученые экспериментировали с гексагональным нитридом бора. Эта атомарно тонкая керамика часто используется в качестве изолирующего материала в 2D-электронике. «Большинство людей специализируются на полупроводниках», — говорит Ланца. «Мы являемся экспертами в области изоляторов».
Ученые хотели преодолеть ряд проблем, с которыми сталкивались предыдущие устройства на основе 2D-материалов. Например, вместо того, чтобы изготавливать транзисторы из двумерных материалов, Ланца и его коллеги стремились создать мемристоры. Мемристоры, или резисторы памяти, по сути, представляют собой переключатели, которые могут запоминать, в какое электрическое состояние они были переключены после отключения питания.
Этот гибридный 2D/CMOS-микрочип перспективен для мемристивных приложений. Марио Ланца
«Большинство групп сосредоточено на транзисторах, вероятно, потому, что они являются ведущими компонентами электроники», — говорит Ланца. «Вместо этого мы сосредоточились на мемристорах, которые в настоящее время имеют гораздо меньший размер рынка, но также обладают огромным потенциалом для хранения данных, вычислений, шифрования и связи».
Ученые всего мира надеются использовать мемристоры и подобные компоненты для создания электроники, которая, как и нейроны, сможет как вычислять, так и хранить данные. Эти мемристивные устройства могут значительно сократить потери энергии и времени, когда обычные микрочипы перемещают данные между процессорами и памятью. Такое нейроморфное оборудование, вдохновленное мозгом, может также оказаться идеальным для реализации нейронных сетей. Эти системы искусственного интеллекта все чаще находят применение в таких приложениях, как поддержка автономных транспортных средств и анализ медицинских сканирований.
Мемристоры — это «простые устройства, устойчивые к дефектам», — говорит Ланца. Напротив, транзисторам «требуется идеальный кристаллический материал», объясняет он. Ланца отмечает, что мемристоры также не страдают от других проблем, с которыми сталкиваются транзисторы, таких как контактное сопротивление, то есть электрическое сопротивление в точках их контакта с другими компонентами.
Кроме того, в то время как большинство предыдущих работ основывалось на 2D-материалах толщиной всего в один или два слоя, Ланца и его коллеги использовали лист 2D-материала, состоящий примерно из 18 слоев, общая толщина которого составляла около 6 нанометров. «Этот более толстый материал не так-то легко расколоть», — говорит Ланца.