استخدم باحثو EPFL MoS2 لإنشاء معالج ذاكرة موفر للطاقة يتكون من أكثر من 1000 ترانزستور. يمكن لهذا المعالج إجراء عمليات مضاعفة مصفوفة المتجهات بكفاءة، ويمثل تحولًا عن بنية فون نيومان التقليدية، ويمكنه تعزيز تطوير صناعة أشباه الموصلات الأوروبية.
يمكن لأول معالج ذاكرة واسع النطاق يستخدم مواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد التي طورها باحثو EPFL أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة في قطاع تكنولوجيا المعلومات والاتصالات.
عندما تقوم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT) بمعالجة البيانات، فإنها تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة. واليوم، تعادل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصادرة عن النظام البيئي العالمي لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات تلك التي تطلقها صناعة الطيران. ومع ذلك، فقد تبين أن معظم الطاقة التي تستهلكها معالجات الكمبيوتر لا تستخدم لإجراء العمليات الحسابية. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام معظم الطاقة المستهلكة في معالجة البيانات لنقل البايتات بين الذاكرة والمعالج.
في بحث نُشر في 13 نوفمبر في مجلة Nature Electronics، قدم باحثون من مختبر الإلكترونيات النانوية والهياكل (LANES) في كلية الهندسة في EPFL نوعًا جديدًا من المعالجات الذي يحل مشكلة عدم الكفاءة هذه من خلال دمج معالجة البيانات وتخزينها في جهاز واحد، ما يسمى بمعالج الذاكرة. لقد ابتكروا أول معالج ذاكرة يتكون من أكثر من 1000 ترانزستور يعتمد على مواد شبه موصلة ثنائية الأبعاد، مما فتح مجالًا جديدًا. ويعد هذا معلما هاما على طريق الإنتاج الصناعي.
تراث فون نيومان
ويعتقد أندراس كيس، الذي قاد البحث، أن السبب الرئيسي لعدم كفاءة وحدة المعالجة المركزية اليوم ينبع من بنية فون نيومان شائعة الاستخدام. على وجه التحديد، الفصل المادي للمكونات المستخدمة لإجراء العمليات الحسابية وتخزين البيانات. وبسبب هذا الفصل، يحتاج المعالج إلى استرجاع البيانات من الذاكرة لإجراء العمليات الحسابية، الأمر الذي يتطلب تحريك الشحنات، وشحن وتفريغ المكثفات، ونقل التيار عبر الأسلاك، وكل ذلك يبدد الطاقة.
حتى قبل 20 عامًا، كانت هذه البنية مبررة لأن تخزين البيانات ومعالجتها يتطلبان أنواعًا مختلفة من المعدات. ومع ذلك، تواجه هندسة فون نيومان تحديات متزايدة من خلال البدائل الأكثر كفاءة. وأوضح كيث: "اليوم، هناك جهود لدمج التخزين والمعالجة في معالج ذاكرة للأغراض العامة يحتوي على مكونات يمكن أن تعمل كذاكرة وترانزستورات". "كان مختبره يستكشف كيفية تحقيق ذلك باستخدام مادة شبه موصلة تسمى ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2)."
بنية معالج ثنائية الأبعاد جديدة
في ورقتهم البحثية الخاصة بـ Nature Electronics، قدم مساعد دكتوراه LANES، جيلهيرم ميجلياتو ماريجا ومؤلفوه المشاركون، معالج ذاكرة قائم على MoS2 مخصص لإحدى العمليات الأساسية في معالجة البيانات: مضاعفة المصفوفة المتجهات. مثل هذه العمليات موجودة في كل مكان في تنفيذ نماذج معالجة الإشارات الرقمية والذكاء الاصطناعي. ومن الممكن أن يؤدي تحسين كفاءتها إلى توفير كميات كبيرة من الطاقة في قطاع تكنولوجيا المعلومات والاتصالات.
يجمع معالجهم بين 1024 عنصرًا في شريحة مربعة يبلغ طولها سنتيمترًا واحدًا. يتكون كل عنصر من ترانزستور MoS2 ثنائي الأبعاد وبوابة عائمة، تُستخدم لتخزين الشحنة في الذاكرة وبالتالي التحكم في توصيل كل ترانزستور. إن اقتران المعالجة والذاكرة معًا بهذه الطريقة يغير بشكل أساسي الطريقة التي تجري بها المعالجات العمليات الحسابية. وأوضح كيث: "من خلال ضبط موصلية كل ترانزستور، يمكننا إجراء مضاعفة لمصفوفة المتجهات التناظرية ببساطة عن طريق تطبيق الجهد على المعالج وقياس الخرج".
خطوة كبيرة نحو التطبيقات العملية
في عملية تطوير معالجات الذاكرة، يلعب اختيار المادة MoS2 دورًا حاسمًا. أولا، MoS2 هو أشباه الموصلات، وهو أمر ضروري لتطوير الترانزستورات. على عكس السيليكون، أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في معالجات الكمبيوتر اليوم، يشكل MoS طبقة أحادية مستقرة يبلغ سمكها ثلاث ذرات فقط ولا تتفاعل إلا بشكل ضعيف مع محيطها. نحافتها تجعل من الممكن إنتاج أجهزة مدمجة للغاية. أخيرًا، هذه مادة مألوفة جدًا لدى Kis Labs. في عام 2010، استخدموا الشريط اللاصق لإنشاء أول ترانزستور MoS2 أحادي الطبقة باستخدام طبقة واحدة من مادة MoS2 مقشرة من البلورة.
على مدى السنوات الـ 13 الماضية، نضجت حرفتهم، وأصبحت مساهمة ميجلياتو ماريجا لا غنى عنها. قال كيث: "إن التقدم الرئيسي من ترانزستور واحد إلى أكثر من 1000 ترانزستور هو جودة المادة التي يمكننا تخزينها. وبعد تحسين العملية على نطاق واسع، يمكننا الآن إنتاج رقائق كاملة مغطاة بطبقة موحدة من MoS2. وهذا يسمح لنا بتصميم دوائر متكاملة على الكمبيوتر باستخدام أدوات متوافقة مع معايير الصناعة وترجمة هذه التصميمات إلى دوائر مادية، مما يفتح الباب أمام الإنتاج الضخم".
تنشيط صناعة تصنيع الرقائق الأوروبية
بالإضافة إلى قيمتها العلمية البحتة، يعتقد كيس أن هذه النتيجة توضح أهمية التعاون العلمي الوثيق بين سويسرا والاتحاد الأوروبي، خاصة في سياق قانون الرقائق الأوروبي، الذي يهدف إلى تعزيز القدرة التنافسية لأوروبا وقدرتها على التكيف في تقنيات وتطبيقات أشباه الموصلات. وقال كيس: "لقد كان تمويل الاتحاد الأوروبي حاسما لهذا المشروع والمشاريع السابقة، بما في ذلك تمويل العمل على أول ترانزستور MoS2، مما يوضح مدى أهمية تمويل الاتحاد الأوروبي لسويسرا". "وفي الوقت نفسه، يوضح كيف يمكن للعمل الذي قامت به سويسرا أن يفيد الاتحاد الأوروبي في عملية تنشيط صناعة الإلكترونيات. على سبيل المثال، يمكن للاتحاد الأوروبي التركيز على تطوير بنيات معالجة غير فون نيومان لمسرعات الذكاء الاصطناعي وغيرها من التطبيقات الناشئة، بدلا من التنافس مع الآخرين في نفس السباق. ومن خلال تحديد المنافسة الخاصة به، يمكن للاتحاد الأوروبي أن يحصل على السبق ويؤمن مكانة مواتية في المستقبل".