Un nouveau type de puce informatique 3D qui combine deux nanotechnologies de pointe pourrait augmenter considérablement la vitesse et l'efficacité énergétique des processeurs, selon une nouvelle étude.
Les puces d'aujourd'hui séparent la mémoire (qui stocke les données) et les circuits logiques (qui traitent les données), et les données sont transférées entre ces deux composants pour effectuer des opérations. Mais en raison du nombre limité de connexions entre la mémoire et les circuits logiques, cela devient un goulot d'étranglement majeur, en particulier parce que les ordinateurs sont censés traiter des quantités toujours croissantes de données.
Auparavant, cette limitation était masquée par les effets de la loi de Moore, qui dit que le nombre de transistors pouvant s'adapter sur une puce double tous les deux ans, avec une augmentation des performances qui l'accompagne. Mais alors que les fabricants de puces atteignent des limites physiques fondamentales sur la façon dont les petits transistors peuvent se procurer, cette tendance a ralenti.
La nouvelle puce prototype, conçue par des ingénieurs de l'Université de Stanford et du Massachusetts Institute of Technology, s'attaque simultanément aux deux problèmes en superposant les circuits de mémoire et les circuits logiques, plutôt que côte à côte.
Non seulement cela permet une utilisation efficace de l'espace, mais cela augmente également considérablement la surface pour les connexions entre les composants, ont déclaré les chercheurs. Un circuit logique conventionnel aurait un nombre limité de broches sur chaque bord à travers lequel transférer des données; en revanche, les chercheurs n'étaient pas limités à l'utilisation des bords et ont pu emballer densément les fils verticaux allant de la couche logique à la couche mémoire.
"Avec une mémoire et une informatique séparées, une puce est presque comme deux villes très peuplées, mais il y a très peu de ponts entre elles", a déclaré à Live Science Subhasish Mitra, chef de l'étude, professeur d'ingénierie électrique et d'informatique à Stanford. "Maintenant, nous n'avons pas seulement réuni ces deux villes - nous avons construit beaucoup plus de ponts pour que le trafic puisse circuler beaucoup plus efficacement entre elles."
En plus de cela, les chercheurs ont utilisé des circuits logiques construits à partir de transistors à nanotubes de carbone, ainsi qu'une technologie émergente appelée mémoire résistive à accès aléatoire (RRAM), qui sont toutes deux beaucoup plus économes en énergie que les technologies au silicium. Ceci est important car l'énorme énergie nécessaire pour faire fonctionner les centres de données constitue un autre défi majeur pour les entreprises technologiques.
"Pour obtenir la prochaine amélioration de 1000 fois des performances informatiques en termes d'efficacité énergétique, ce qui permet de faire fonctionner les choses à très basse énergie et en même temps de faire fonctionner les choses très rapidement, c'est l'architecture dont vous avez besoin", a déclaré Mitra.
Bien que ces deux nouvelles nanotechnologies présentent des avantages inhérents par rapport à la technologie conventionnelle à base de silicium, elles font également partie intégrante de l'architecture 3D de la nouvelle puce, ont déclaré les chercheurs.
Les puces d'aujourd'hui sont 2D parce que la fabrication de transistors en silicium sur une puce nécessite des températures de plus de 1800 degrés Fahrenheit (1000 degrés Celsius), ce qui rend impossible de superposer les circuits de silicium sans endommager la couche inférieure, ont déclaré les chercheurs. .
Mais les transistors à nanotubes de carbone et la RRAM sont fabriqués à une température inférieure à 392 degrés F (200 degrés C), de sorte qu'ils peuvent facilement être superposés sur du silicium sans endommager les circuits sous-jacents. Cela rend également l'approche des chercheurs compatible avec la technologie actuelle de fabrication de puces, ont-ils déclaré.
Empiler plusieurs couches les unes sur les autres pourrait potentiellement entraîner une surchauffe, a déclaré Mitra, car les couches supérieures seront loin des dissipateurs de chaleur à la base de la puce. Mais, a-t-il ajouté, ce problème devrait être relativement simple à résoudre, et l'augmentation de l'efficacité énergétique de la nouvelle technologie signifie que moins de chaleur est générée en premier lieu.
Pour démontrer les avantages de sa conception, l'équipe a construit un prototype de détecteur de gaz en ajoutant une autre couche de capteurs à base de nanotubes de carbone au-dessus de la puce. L'intégration verticale signifiait que chacun de ces capteurs était directement connecté à une cellule RRAM, augmentant considérablement la vitesse à laquelle les données pouvaient être traitées.
Ces données ont ensuite été transférées à la couche logique, qui implémentait un algorithme d'apprentissage automatique qui lui a permis de distinguer les vapeurs de jus de citron, de vodka et de bière.
Ce n'était qu'une démonstration, cependant, a déclaré Mitra, et la puce est très polyvalente et particulièrement bien adaptée au type d'approches de réseaux de neurones profonds riches en données qui sous-tendent la technologie actuelle de l'intelligence artificielle.
Jan Rabaey, professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à la recherche, a déclaré qu'il était d'accord.
"Ces structures peuvent être particulièrement adaptées à des paradigmes informatiques alternatifs basés sur l'apprentissage, tels que les systèmes inspirés du cerveau et les réseaux neuronaux profonds, et l'approche présentée par les auteurs est certainement un premier pas important dans cette direction", a-t-il déclaré au MIT News.
