การศึกษาใหม่กล่าวว่าชิปคอมพิวเตอร์สามมิติชนิดใหม่ที่รวมนาโนเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยสองแบบสามารถเพิ่มความเร็วและประสิทธิภาพการใช้พลังงานของโปรเซสเซอร์ได้อย่างมาก
ชิปของวันนี้แยกหน่วยความจำ (ที่เก็บข้อมูล) และวงจรตรรกะ (ซึ่งประมวลผลข้อมูล) และข้อมูลจะถูกปิดไปและกลับระหว่างคอมโพเนนต์ทั้งสองเพื่อดำเนินการ แต่เนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างหน่วยความจำและวงจรลอจิกมีจำนวน จำกัด สิ่งนี้กำลังกลายเป็นคอขวดที่สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากคอมพิวเตอร์คาดว่าจะรับมือกับปริมาณข้อมูลที่เพิ่มมากขึ้น
ก่อนหน้านี้ข้อ จำกัด นี้ถูกปกปิดโดยผลกระทบของกฎของมัวร์ซึ่งบอกว่าจำนวนของทรานซิสเตอร์ที่สามารถใส่บนชิปเพิ่มเป็นสองเท่าทุกสองปีพร้อมกับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น แต่ในขณะที่ผู้ผลิตชิปมีข้อ จำกัด ทางกายภาพขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับวิธีการที่ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กสามารถได้รับแนวโน้มนี้ได้ช้าลง
ชิปต้นแบบตัวใหม่ออกแบบโดยวิศวกรจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์จัดการกับปัญหาทั้งสองอย่างพร้อมกันด้วยการสร้างหน่วยความจำและวงจรตรรกะที่อยู่ด้านบนของกันและกัน
สิ่งนี้ไม่เพียงทำให้การใช้พื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังเพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบอย่างมาก วงจรลอจิกทั่วไปจะมีจำนวนพินที่ จำกัด บนแต่ละขอบซึ่งจะถ่ายโอนข้อมูล ในทางตรงกันข้ามนักวิจัยไม่ได้ จำกัด การใช้ขอบและสามารถแพ็คสายไฟในแนวตั้งที่หนาแน่นจากชั้นตรรกะไปยังชั้นความจำ
“ ด้วยหน่วยความจำและการคำนวณแยกจากกันชิปจึงเปรียบเสมือนสองเมืองที่มีประชากรมาก แต่มีสะพานน้อยมากระหว่างพวกเขา” Subhasish Mitra ผู้นำการศึกษาศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ของ Stanford กล่าวกับ Live Science "ตอนนี้เราไม่ได้นำเมืองทั้งสองนี้มารวมกัน - เราได้สร้างสะพานอีกหลายแห่งเพื่อให้การจราจรสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นระหว่างกัน"
นักวิจัยใช้วงจรตรรกะที่สร้างขึ้นจากทรานซิสเตอร์คาร์บอนนาโนทิวบ์พร้อมกับเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ที่เรียกว่าหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (Resive Random-Access Memory: RRAM) ซึ่งทั้งคู่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าเทคโนโลยีซิลิคอน สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากพลังงานขนาดใหญ่ที่จำเป็นในการเรียกใช้ศูนย์ข้อมูลถือเป็นความท้าทายที่สำคัญอีกอย่างที่ บริษัท เทคโนโลยีต้องเผชิญ
“ เพื่อให้ได้รับการปรับปรุงครั้งต่อไป 1,000 ครั้งในด้านประสิทธิภาพการใช้คอมพิวเตอร์ในแง่ของประสิทธิภาพการใช้พลังงานซึ่งทำให้สิ่งต่าง ๆ ทำงานที่พลังงานต่ำมากและในขณะเดียวกันก็ทำให้สิ่งต่าง ๆ ทำงานได้อย่างรวดเร็วมากนี่คือสถาปัตยกรรมที่คุณต้องการ” มิตรากล่าว
ในขณะที่นาโนเทคโนโลยีใหม่ทั้งสองมีข้อได้เปรียบเหนือกว่าเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิกอนแบบดั้งเดิม แต่พวกเขาก็เป็นส่วนสำคัญของสถาปัตยกรรม 3 มิติของชิปใหม่นักวิจัยกล่าว
เหตุผลที่ชิปในปัจจุบันเป็นแบบ 2 มิติเนื่องจากการผลิตซิลิคอนซิลิคอนทรานซิสเตอร์ไปยังชิปต้องการอุณหภูมิมากกว่า 1,800 องศาฟาเรนไฮต์ (1,000 องศาเซลเซียส) ซึ่งทำให้ไม่สามารถเลเยอร์วงจรซิลิคอนที่ด้านบนของกันและกันโดยไม่ทำลายชั้นล่าง .
แต่ทั้งตัวท่อนาโนคาร์บอนและ RRAM นั้นถูกสร้างขึ้นที่อุณหภูมิเย็นกว่า 392 องศา F (200 องศาเซลเซียส) ดังนั้นพวกมันจึงสามารถวางบนซิลิคอนได้อย่างง่ายดายโดยไม่ทำลายวงจรพื้นฐาน สิ่งนี้ยังทำให้แนวทางของนักวิจัยเข้ากันได้กับเทคโนโลยีการทำชิปในปัจจุบัน
มิตรากล่าวว่าการซ้อนชั้นหลาย ๆ ชั้นไว้ด้านบนอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปเนื่องจากชั้นบนสุดจะอยู่ห่างจากแผ่นระบายความร้อนที่ฐานของชิป แต่เขากล่าวเสริมว่าปัญหานี้ควรจะค่อนข้างง่ายสำหรับวิศวกรและการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเทคโนโลยีใหม่หมายถึงการสร้างความร้อนน้อยลงตั้งแต่แรก
เพื่อแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของการออกแบบทีมได้สร้างเครื่องตรวจจับก๊าซต้นแบบโดยการเพิ่มเซ็นเซอร์ที่ใช้ท่อนาโนคาร์บอนอีกชั้นหนึ่งที่ด้านบนของชิป การรวมในแนวตั้งหมายความว่าเซ็นเซอร์แต่ละตัวเชื่อมต่อโดยตรงกับเซลล์ RRAM ซึ่งเป็นการเพิ่มอัตราการประมวลผลข้อมูล
ข้อมูลนี้จะถูกถ่ายโอนไปยังชั้นตรรกะซึ่งใช้อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องซึ่งทำให้สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างไอของน้ำมะนาววอดก้าและเบียร์ได้
นี่เป็นเพียงการสาธิต แต่ Mitra กล่าวและชิปนั้นมีความสามารถในการใช้งานสูงและเหมาะอย่างยิ่งกับประเภทของโครงข่ายประสาทเทียมที่มีข้อมูลจำนวนมากและหนักหน่วงซึ่งเป็นรากฐานของเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ในปัจจุบัน
Jan Rabaey ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าวว่าเขาเห็นด้วย
"โครงสร้างเหล่านี้อาจเหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับกระบวนทัศน์การเรียนรู้ทางเลือกเช่นระบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสมองและอวนประสาทส่วนลึกและวิธีการที่นำเสนอโดยผู้เขียนนั้นเป็นก้าวแรกที่ดีในทิศทางนั้น" เขากล่าวกับ MIT News
