EPFL の研究者は、MoS2 を使用して、1,000 個を超えるトランジスタで構成されるエネルギー効率の高いメモリ プロセッサを作成しました。このプロセッサはベクトル行列乗算演算を効率的に実行でき、従来のノイマン型アーキテクチャからの移行を示し、欧州の半導体産業の発展を促進できます。
EPFLの研究者が開発した二次元半導体材料を使用した初の大規模メモリプロセッサは、情報通信技術分野のエネルギー消費を大幅に削減できる可能性がある。
情報通信技術 (ICT) がデータを処理する際、電気エネルギーが熱に変換されます。現在、世界の ICT エコシステムの二酸化炭素排出量は、航空業界の二酸化炭素排出量と同じくらいです。しかし、コンピューターのプロセッサーによって消費されるエネルギーのほとんどは、計算の実行には使用されないことが判明しています。代わりに、データの処理に費やされるエネルギーのほとんどは、メモリとプロセッサ間のバイト転送に使用されます。
Nature Electronics誌に11月13日に掲載された論文の中で、EPFL工学部ナノエレクトロニクス・構造研究所（LANES）の研究者らは、データ処理とストレージを単一のデバイスに統合することでこの非効率性を解決する、いわゆるメモリプロセッサと呼ばれる新しいタイプのプロセッサを紹介した。彼らは、二次元半導体材料に基づいて 1,000 個を超えるトランジスタで構成される最初のメモリ プロセッサを作成し、新しい分野を切り開きました。これは工業生産への道における重要なマイルストーンです。
フォン・ノイマンの遺産
研究を主導した Andras Kis 氏は、今日の CPU 効率の悪さの主な原因は、一般的に使用されているフォン ノイマン アーキテクチャにあると考えています。具体的には、計算の実行とデータの保存に使用されるコンポーネントを物理的に分離します。この分離により、プロセッサは計算を実行するためにメモリからデータを取得する必要があり、それには電荷の移動、コンデンサの充放電、ワイヤに沿った電流の送信が必要であり、これらすべてがエネルギーを消費します。
20 年前までは、データの保存と処理にはさまざまな種類の機器が必要だったため、このアーキテクチャは正当化されていました。しかし、フォン ノイマン アーキテクチャは、より効率的な代替案によってますます課題が増えています。 「現在、ストレージと処理を統合して、メモリとトランジスタの両方として機能できるコンポーネントを含む、より汎用的なメモリプロセッサを開発する取り組みが行われています」とキース氏は説明した。 「彼の研究室は、二硫化モリブデン（MoS2）と呼ばれる半導体材料を使用してこれを実現する方法を研究してきました。」
新しい 2D プロセッサ アーキテクチャ
Nature Electronics の論文の中で、LANES 博士助手の Guilherme Migliato Marega とその共著者は、データ処理の基本演算の 1 つであるベクトル行列乗算専用の MoS2 ベースのメモリ プロセッサを紹介しています。このような操作は、デジタル信号処理や人工知能モデルの実装において広く普及しています。効率を向上させることで、情報通信技術分野全体で大幅なエネルギーを節約できる可能性があります。
彼らのプロセッサは、1,024 個の要素を 1 センチメートル四方のチップ上に組み合わせています。各要素は、2 次元 MoS2 トランジスタとフローティング ゲートで構成されます。フローティング ゲートはメモリに電荷を蓄積し、それによって各トランジスタの導電性を制御するために使用されます。このように処理とメモリを結合すると、プロセッサが計算を実行する方法が根本的に変わります。 「各トランジスタの導電率を設定することで、プロセッサに電圧を印加して出力を測定するだけで、アナログのベクトル行列乗算を実行できます」とキース氏は説明しました。
実用化に向けた大きな一歩
メモリ プロセッサの開発プロセスでは、MoS2 材料の選択が重要な役割を果たします。まず、MoS2 はトランジスタの開発に必要な半導体です。今日のコンピュータプロセッサで最も広く使用されている半導体であるシリコンとは異なり、MoS は厚さわずか 3 原子の安定した単層を形成し、周囲との相互作用は弱くなります。その薄さにより、非常にコンパクトなデバイスを製造することが可能になります。最後に、これはKis Labsがよく知っているマテリアルです。 2010年、彼らはセロハンテープを使用して、結晶から剥がしたMoS2材料の単層を使用した初の単層MoS2トランジスタを作成した。
過去 13 年間で彼らの技術は成熟しており、ミリアート マレガの貢献は不可欠です。 「単一のトランジスタから1,000個以上のトランジスタへの主な進歩は、堆積できる材料の品質です。広範なプロセスの最適化により、均一なMoS2層で覆われたウェハ全体を製造できるようになりました。これにより、業界標準のツールを使用してコンピュータ上で集積回路を設計し、これらの設計を物理回路に変換することが可能になり、量産への扉が開かれます。」とキース氏は述べています。
欧州のチップ製造産業を活性化
この結果は、その純粋な科学的価値に加えて、特に半導体技術と応用分野における欧州の競争力と適応性の強化を目的とした欧州チップ法との関連において、スイスとEUの緊密な科学的協力の重要性を示しているとKis氏は考えている。 「初のMoS2トランジスタの開発への資金提供など、今回のプロジェクトやこれまでのプロジェクトにとってEUの資金は極めて重要だった。これはスイスにとってEUの資金がいかに重要であるかを示している」とキース氏は述べた。 「同時に、このことは、エレクトロニクス製造の活性化の過程において、スイスの取り組みがいかにEUに利益をもたらすかを示している。例えば、EUは、同じ競争で他国と競争するのではなく、人工知能アクセラレータやその他の新興アプリケーション向けの非ノイマン型処理アーキテクチャの開発に集中できる。独自の競争を定義することで、EUは有利なスタートを切り、将来的に有利な立場を確保することができる。」