Wir leben in einer analogen Welt, die durch kontinuierliche Informationsströme gekennzeichnet ist, die unser Gehirn gleichzeitig verarbeitet und aufzeichnet, während unsere Geräte die Informationen digital in Form von diskreten Binärcodes verarbeiten, indem sie die Daten in Bits aufteilen. Wissenschaftler an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL haben eine bahnbrechende Technologie enthüllt, die das Potenzial der kontinuierlichen analogen Verarbeitung mit der Präzision digitaler Geräte verbindet. Laut der in Nature Electronics veröffentlichten Studie ermöglicht die harmonische Integration von ultradünnen zweidimensionalen Halbleitern mit ferroelektrischen Materialien eine Senkung des Energieverbrauchs und die Entfaltung neuer Computerfunktionen. Die neue Konfiguration vereint traditionelle digitale Logik mit analogen Operationen, die denen des menschlichen Gehirns ähneln.
Schnellere und effizientere elektronische Produkte
Die Innovation des Laboratoriums für nanoelektronische Geräte ( Nanolab ), das mit dem Laboratorium für Mikrosysteme zusammenarbeitet , betrifft eine einzigartige Kombination von Materialien, die zu Funktionen führt, die dem Gehirn nachempfunden sind, sowie zu fortschrittlichen elektronischen Schaltern, einschließlich des Tunneltransistors mit negativer Kapazität (TFET). In der Welt der Elektronik kann man einen Transistor mit dem Schalter einer Lampe vergleichen, der bestimmt, ob Strom fließt (eingeschaltet) oder nicht (ausgeschaltet). Dabei handelt es sich um die berühmten 0 und 1 der binären Computersprache. Dieser einfache Vorgang des Ein- und Ausschaltens findet sich in praktisch allen Funktionen unserer elektronischen Geräte wieder, von der Verarbeitung von Informationen bis hin zu ihrer Speicherung im Speicher. Der TFET ist ein spezieller Schaltertyp, der mit Blick auf die Energiezukunft entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren, die eine minimale Zündspannung benötigen, arbeiten TFETs mit signifikant niedrigeren Spannungen. Dank dieses optimierten Designs verbrauchen sie beim Schalten wesentlich weniger Energie, was den Gesamtstromverbrauch der Geräte, in die sie eingebaut werden, deutlich senkt.Professor Adrian Ionescu, Direktor des Nanolab, sagt: "Unsere Bemühungen stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Elektronik dar, da sie bisherige Leistungsstandards sprengen, wie die außergewöhnlichen Fähigkeiten des TFETs mit negativer Kapazität aus Wolframdiselenid/Zinniselenid zeigen. Darüber hinaus glauben wir, dass wir in der Lage sind, eine synaptische neuronale Funktion in diese Technologie zu integrieren."
Sadegh Kamaei, Doktorand an der EPFL, hat zum ersten Mal das Potenzial von zweidimensionalen Halbleitern und ferroelektrischen Materialien in einem vollständig kointegrierten elektronischen System ausgeschöpft. Die zweidimensionalen Halbleiter können in extrem leistungsfähigen digitalen Verarbeitungswerkzeugen eingesetzt werden, während das ferroelektrische Material eine kontinuierliche Datenverarbeitung und gleichzeitige Datenspeicherung ermöglicht. Durch die Kombination beider Materialien ist es möglich, die digitalen und analogen Fähigkeiten jedes Materials zu nutzen. Der Schalter, den wir in der obigen Analogie erwähnt haben, ist nun nicht nur energieeffizienter, sondern die Lampe, die er anzündet, leuchtet auch heller. Kamaei fügte hinzu: "Die Arbeit mit zweidimensionalen Halbleitern und deren Integration in ferroelektrische Materialien war eine schwierige, aber sehr lohnende Aufgabe. Die potenziellen Anwendungen unserer Entdeckungen werden wahrscheinlich die Art und Weise neu definieren, wie wir elektronische Geräte in Zukunft wahrnehmen und mit ihnen interagieren werden."
Traditionelle Logik trifft auf neuromorphe Schaltkreise.
Darüber hinaus versuchen die Forscher, für neuromorphe Computeranwendungen Schalter zu entwickeln, die biologischen Synapsen ähneln - den ausgeklügelten Verbindungsstücken, die Gehirnzellen miteinander verbinden. "Diese Forschung ermöglicht die erste Kointegration von Neumann-Logikschaltungen und neuromorphen Funktionen, was spannende Perspektiven für innovative Computerarchitekturen eröffnet, die sich durch einen extrem niedrigen Energieverbrauch und bisher unerreichte Fähigkeiten zum Aufbau neuromorpher Funktionen in Verbindung mit der digitalen Informationsverarbeitung auszeichnen", betont Professor Ionescu.Solche Fortschritte deuten auf die Entstehung elektronischer Geräte hin, die wie das menschliche Gehirn funktionieren und die Rechengeschwindigkeit mit der Informationsverarbeitung auf eine Art und Weise verbinden, die der menschlichen Kognition ähnlicher ist. Neuromorphe Systeme könnten sich beispielsweise bei Aufgaben auszeichnen, die herkömmliche Computer nur schwer bewältigen können, wie etwa Mustererkennung, Verarbeitung von Sinnesdaten oder sogar bestimmte Arten des Lernens. Die Kombination aus traditioneller Logik und neuromorphen Schaltkreisen kündigt eine Transformation an, die weitreichend sein wird. In Zukunft könnten wir von Geräten profitieren, die intelligenter, schneller und exponentiell energiesparender sind.
Referenzen Ferroelectric Gating of Two-Dimensional Semiconductors for the Integration of Steep-Slope Logic and Neuromorphic Devices (Ferroelektrisches Gating zweidimensionaler Halbleiter für die Integration von Steep-Slope-Logik und neuromorphen Geräten)
Authors: Sadegh Kamaei , Xia Liu , Ali Saeidi , Yingfen Wei , Carlotta Gastaldi , Juergen Brugger & Adrian M. Ionescu
Journal: Nature Electronics
DOI: 10.1038/s41928’023 -01018-7
Datum der Veröffentlichung: 31.08.2023
