Sviluppato dagli scienziati dell’EPFL, il primo processore di memoria su larga scala basato su materiali semiconduttori bidimensionali potrebbe ridurre significativamente l’impronta energetica del settore ICT.
Quando le tecnologie dell’informazione e della comunicazione (TIC) elaborano i dati, convertono l’elettricità in calore. L’impronta di carbonio globale dell’ecosistema ICT è già pari a quella dell’aviazione. Tuttavia, è emerso che una parte considerevole dell’energia consumata dai processori dei computer non viene utilizzata per i calcoli. La maggior parte dell’energia utilizzata per elaborare i dati serve a spostare i byte tra la memoria e il processore.
In un articolo pubblicato su Nature Electronics, i ricercatori del Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) della Facoltà di Scienze e Tecniche dell’Ingegneria dell’EPFL presentano un nuovo processore che elimina questa fonte di inefficienza integrando l’elaborazione e la memorizzazione dei dati su un unico supporto, un processore di memoria. Hanno aperto una nuova strada progettando il primo processore di memoria basato su un materiale semiconduttore bidimensionale con più di 1000 transistor, un passo fondamentale sulla strada della produzione industriale.
L’eredità di Von Neuman
Secondo Andras Kis, responsabile dello studio, è l’architettura di Von Neumann, universalmente acclamata, a essere alla base dell’inefficienza dei processori odierni, in particolare la separazione fisica tra i componenti che eseguono i calcoli e quelli che memorizzano i dati. Per questo motivo, i processori devono recuperare i dati dalla memoria per eseguire i calcoli, il che comporta lo spostamento di cariche elettriche, la carica e la scarica di condensatori e la trasmissione di correnti lungo le linee. Tutte queste operazioni dissipano calore.
Fino a circa 20 anni fa, questa architettura aveva senso, perché erano necessari diversi tipi di dispositivi per memorizzare ed elaborare i dati. Tuttavia, alternative più efficienti mettono costantemente in discussione l’architettura di Von Neumann. "Attualmente sono in corso sforzi per unire la memorizzazione e l’elaborazione in processori di memoria universali che contengono elementi che funzionano sia come memorie che come transistor", spiega Andras Kis. Il suo laboratorio ha studiato approcci per raggiungere questo obiettivo utilizzando il disolfuro di molibdeno (MoS2), un materiale semiconduttore.
Una nuova architettura di processore bidimensionale
Nell’articolo pubblicato su Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, assistente-ricercatore presso LANES, e i suoi coautori presentano un processore di memoria in MoS2 dedicato a una delle operazioni fondamentali dell’elaborazione dei dati, la moltiplicazione di un vettore per una matrice. Questa operazione è onnipresente nell’elaborazione digitale dei segnali e nell’implementazione di modelli di intelligenza artificiale. Un miglioramento della sua efficienza potrebbe portare a un significativo risparmio energetico in tutto il settore ICT.
Il processore sviluppato dal team di ricercatori combina 1.024 elementi su un chip di un centimetro quadrato. Ogni elemento comprende un transistor bidimensionale fatto di MoS2 e un gate flottante che immagazzina una carica nella memoria che controlla la conduttività di ogni transistor. Questa combinazione di elaborazione e memoria cambia profondamente il metodo di calcolo del processore. "Regolando la conduttività di ciascun transistor, siamo in grado di eseguire la moltiplicazione analogica di una matrice per un vettore in un solo passaggio, applicando tensioni al nostro processore e misurando l’uscita", spiega Andras Kis.
Un passo da gigante verso le applicazioni pratiche
Il materiale scelto, MoS2, ha svolto un ruolo cruciale nello sviluppo del processore di memoria del team. MoS2 è un semiconduttore, un ingrediente essenziale nello sviluppo di qualsiasi transistor. A differenza del silicio, il materiale oggi più comunemente usato nei semiconduttori per i processori dei computer, MoS2 forma un singolo strato stabile di soli tre atomi di spessore, che interagisce solo debolmente con l’ambiente circostante. La sua sottigliezza favorisce la produzione di dispositivi estremamente compatti. Gli specialisti che lavorano a LANES conoscono bene questo materiale. Nel 2010 hanno sviluppato il primo transistor in MoS2 utilizzando un singolo strato del materiale staccato da un cristallo con un nastro adesivo.
Negli ultimi tredici anni, i loro processi sono maturati notevolmente, grazie soprattutto agli sforzi di Guilherme Migliato Marega. "La qualità del materiale che possiamo depositare è stata decisiva: ci ha permesso di passare da un transistor a più di mille. Dopo una lunga ottimizzazione del processo, siamo ora in grado di produrre interi wafer di silicio rivestiti da uno strato omogeneo di MoS2, che ci permette di adottare gli strumenti normalmente utilizzati nell’industria per progettare circuiti integrati al computer e di convertire questi progetti in circuiti fisici, il prerequisito per la produzione di massa", afferma Andras Kis.
Rivitalizzare la produzione europea di chip
Al di là del valore puramente scientifico, lo scienziato ritiene che questo risultato dimostri l’importanza di una stretta collaborazione scientifica tra la Svizzera e l’Unione Europea, in particolare nel contesto del Regolamento europeo sui semiconduttori, che mira a rafforzare la competitività e la capacità di recupero del Vecchio Continente nelle tecnologie e nelle applicazioni dei semiconduttori. "I finanziamenti dell’Unione Europea sono stati fondamentali per questo progetto e per quelli precedenti, tra cui quello dedicato al primo transistor MoS2, a testimonianza della sua importanza per la Svizzera", sottolinea.
"Il progetto dimostra anche che l’Unione europea, che sta cercando di rivitalizzare la produzione elettronica, può trarre vantaggio dal lavoro svolto in Svizzera. Invece di partecipare alla stessa competizione contro tutti gli altri attori, l’Unione Europea potrebbe, ad esempio, concentrarsi sullo sviluppo di architetture di elaborazione non basate sul principio di Von Neumann per gli acceleratori di intelligenza artificiale e altre applicazioni emergenti. Dando forma ai contorni della propria competizione, il nostro continente potrebbe ottenere un vantaggio e una posizione di scelta in futuro", conclude.
Riferimenti
Marega, G. M., Ji, H. G., Wang, Z., Pasquale, G., Tripathi, M., Radenovic, A., & Kis, A. (2023). Processore integrato di moltiplicazione vettoriale e matriciale su larga scala basato su un monostrato di MoS2. Nature Electronics. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41928’023 -01064-1
