В нанопроводной транзистор встроили память для суперкомпьютеров будущего

В статье в Nature Electronics исследователи из Лундского университета в Швеции представили новую конфигурацию, в которой модуль памяти объединен с вертикальным транзисторным селектором, и все это сделано на наноуровне. Такой подход улучшает масштабируемость, скорость и энергоэффективность по сравнению с текущими решениями для хранения данных.

Основная проблема технологий хранения данных заключается в том, что все, что требует обработки больших объемов информации, в том числе искусственный интеллект и машинное обучение, требует высокой скорости и большей емкости. Чтобы это обеспечить, память и процессор должны быть расположены как можно ближе друг к другу. Кроме того, важно предусмотреть возможность выполнения расчетов энергоэффективным способом, не в последнюю очередь потому, что современные технологии генерируют высокие температуры при высоких нагрузках.

Однако скорость вычисления процессоров намного выше, чем операции обращения к памяти, и эта проблема хорошо известна ученым уже много лет. Она получила название «узкое место архитектуры фон Неймана», или «фон-Неймановское бутылочное горлышко» (von Neumann bottleneck).

Проблема возникает из-за того, что память и вычислительные блоки разделены, и для отправки информации туда и обратно по шине данных, которая ограничивает скорость, требуется время.

Традиционно это ограничение было связано с конструкцией печатных плат с блоками, расположенными рядом друг с другом на плоской поверхности. Новая же идея заключается в том, чтобы построить вертикальную трехмерную конфигурацию и объединить память и процессор, при этом вычисления будут выполняться внутри самого модуля памяти.

Такая конфигурация представляет собой нанопроволоку с транзистором внизу и очень маленьким элементом памяти, расположенным выше на том же проводе. Это превращает его в компактный интегрированный интерфейс, в которой транзистор управляет элементом памяти. Эта идея уже существовала раньше, но оказалось, что добиться высокой производительности в ней сложно. Однако теперь ученые показали, что этого можно достичь.

Исследователи использовали модуль RRAM — резистивной оперативной памяти, которая сама по себе не является инновацией.  Однако им удалось достичь функциональной интеграции, которая обещает большие возможности. Они интегрировали вертикальный транзистор и резистивную память в одну вертикальную нанопроволоку из арсенида индия на кремнии.

Подход основан на интерфейсе между полупроводниковой нанопроволокой AIIIBV и высокотемпературным диэлектриком (оксидом гафния), образующим оксидный слой, который может работать либо как вертикальный транзисторный селектор, либо как высокоэффективная резистивная память. Полученные в результате ячейки позволяют реализовать булевы логические операции в одной вертикальной нанопроволоке с минимальной занимаемой площадью. 

Сами ученые говорят, что решение проблемы, вероятно, можно найти и на основе кремния, который сейчас является наиболее распространенным материалом, но в конкретном случае именно выбор материала обеспечивает производительность. Такая конструкция открывает потенциально новые области исследований и обещает улучшить функции искусственного интеллекта и машинного обучения, а также обычных компьютеров. Сферами применения технологии могут стать различные формы машинного обучения, такие как управление жестами на основе радара, моделирование климата или разработка лекарств.