Viviamo in un mondo analogico caratterizzato da flussi continui di informazioni che il nostro cervello elabora e registra contemporaneamente, mentre i nostri dispositivi elaborano le informazioni in modo digitale sotto forma di codici binari discreti, scomponendo i dati in bit. Gli scienziati della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL hanno presentato una tecnologia all’avanguardia che combina il potenziale dell’elaborazione analogica continua con la precisione dei dispositivi digitali. Secondo lo studio pubblicato su Nature Electronics, l’integrazione armoniosa di semiconduttori bidimensionali ultrafini con materiali ferroelettrici consente di ridurre il consumo energetico e di implementare nuove funzionalità di calcolo. La nuova configurazione combina la logica digitale tradizionale con operazioni analogiche simili a quelle eseguite dal cervello umano.
Prodotti elettronici più veloci ed efficienti
L’innovazione del Laboratorio di dispositivi nanoelettronici (Nanolab), che collabora con il Laboratorio di microsistemi, prevede una combinazione unica di materiali che porta a funzioni ispirate al cervello e a interruttori elettronici avanzati, tra cui il transistor a tunnel con capacità negativa (TFET). Nel mondo dell’elettronica, un transistor può essere paragonato all’interruttore di una lampada, che determina se la corrente scorre (on) o meno (off). Sono i famosi 0 e 1 del linguaggio binario dei computer. Questa semplice operazione di accensione e spegnimento si ritrova praticamente in tutte le funzioni dei nostri dispositivi elettronici, dall’elaborazione delle informazioni alla loro memorizzazione. Il TFET è un tipo speciale di interruttore progettato pensando al futuro dell’energia. A differenza dei transistor convenzionali, che richiedono una tensione minima di accensione, i TFET funzionano a tensioni notevolmente inferiori. Grazie a questo design ottimizzato, consumano molta meno energia durante la commutazione, riducendo in modo significativo il consumo energetico complessivo dei dispositivi in cui sono installati.Il professor Adrian Ionescu, direttore del Nanolab, ha dichiarato: "I nostri sforzi rappresentano un progresso significativo nel campo dell’elettronica, che supera i precedenti parametri di prestazione, come dimostrato dalle eccezionali capacità del TFET diseleniuro di tungsteno/iseleniuro di stagno a capacità negativa". Inoltre, riteniamo di essere in grado di integrare la funzione sinaptica neuronale in questa tecnologia".
Il dottorando dell’EPFL Sadegh Kamaei ha sfruttato per la prima volta il potenziale dei semiconduttori bidimensionali e dei materiali ferroelettrici in un sistema elettronico completamente cointegrato. I semiconduttori bidimensionali possono essere utilizzati in strumenti di elaborazione digitale estremamente potenti, mentre il materiale ferroelettrico consente di elaborare i dati in modo continuo e di memorizzarli allo stesso tempo. Combinando i due materiali, è possibile sfruttare le capacità digitali e analogiche di ciascuno. Non solo l’interruttore, di cui abbiamo parlato nell’analogia precedente, è ora più efficiente in termini di consumo energetico, ma anche la lampada che accende brilla di più. Il dottor Kamaei ha aggiunto: "Lavorare con i semiconduttori bidimensionali e integrarli con i materiali ferroelettrici è stato un compito delicato ma molto gratificante. Le potenziali applicazioni delle nostre scoperte probabilmente ridefiniranno il modo in cui percepiamo e interagiamo con i dispositivi elettronici in futuro".
La logica tradizionale incontra i circuiti neuromorfici
I ricercatori stanno anche cercando di creare interruttori che assomiglino alle sinapsi biologiche, i sofisticati connettori che collegano le cellule cerebrali, per applicazioni di calcolo neuromorfico. "Questa ricerca ha permesso di avviare la primissima co-integrazione di circuiti logici Neumann e funzionalità neuromorfiche, aprendo prospettive entusiasmanti per architetture informatiche innovative caratterizzate da un consumo energetico estremamente ridotto e da capacità finora inedite di costruire funzioni neuromorfiche associate all’elaborazione dell’informazione digitale", sottolinea il professor Ionescu.Questi progressi indicano l’emergere di dispositivi elettronici che funzionano come il cervello umano, combinando la velocità di calcolo con l’elaborazione delle informazioni in modo più simile alla cognizione umana. I sistemi neuromorfi potrebbero, ad esempio, eccellere in compiti che i computer tradizionali faticano a svolgere, come il riconoscimento di modelli, l’elaborazione di dati sensoriali o persino alcuni tipi di apprendimento. La combinazione di logica tradizionale e circuiti neuromorfici preannuncia una trasformazione di vasta portata. In futuro potremmo avere a disposizione dispositivi più intelligenti, più veloci e con un’efficienza energetica esponenziale.
Riferimenti Gating ferroelettrico di semiconduttori bidimensionali per l’integrazione di logiche a forte pendenza e dispositivi neuromorfici
Autori: Sadegh Kamaei , Xia Liu , Ali Saeidi , Yingfen Wei , Carlotta Gastaldi , Juergen Brugger & Adrian M. Ionescu
Rivista: Nature Electronics
DOI: 10.1038/s41928’023 -01018-7
Data di pubblicazione: 31.08.2023
