На этой неделе на Международной встрече по электронным устройствам в Сан-Франциско исследовательские группы, представляющие академические круги и промышленность, представили данные о высокопроизводительных транзисторах на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и схемах. Несмотря на то, что может пройти десять лет или больше, прежде чем эти устройства будут интегрированы в продукты, инженеры на конференции утверждают, что в этой области достигнут огромный прогресс, и что углеродные нанотрубки будут играть ключевую роль в будущих системах, обеспечивая маломощные и высокопроизводительные вычисления, которые могут ускорить кремниевые чипы.
УНТ имеют диаметр около нанометра, и электроны проходят через них. Еще в 2016 году исследователи создали первый УНТ-транзистор, который превзошел транзистор на основе кремния. Однако создание сложных схем и систем из УНТ оказалось более сложной задачей. Х.-С. Филип Вонг, инженер-электрик из Стэнфордского университета, говорит, что результаты, представленные его группой и другими участниками IEDM, показывают, что устройства УНТ достигли огромного прогресса за последние несколько лет. «Многие фундаментальные проблемы были решены», — говорит он.
В IEDM инженеры описали видение схем на основе углеродных нанотрубок, которые не заменят, а дополнят современные вычислительные системы. Некоторые надеются, что УНТ будут играть решающую роль в новых архитектурах, которые экономят энергию за счет объединения обработки и памяти. Например, большая часть энергии, затрачиваемой на обучение больших моделей ИИ, не тратится на расчеты; Он расходуется на перемещение данных между процессором и памятью. Выполнение вычислений в самой памяти может сократить этот расход энергии.
Примеры углеродных нанотрубок, интегрированных в кремниевые чипы.
Изображение: Шэнман Ли
Как заставить углеродные нанотрубки работать в чипах?
Существует множество способов разработки такой системы — она может использовать аналоговые ячейки памяти (которые экономят энергию, но жертвуют точностью) или цифровые (которые потребляют больше энергии, но обеспечивают лучшую производительность). В IEDM Ибэй Чжан, аспирант Университета Цингуа в Пекине, описал многоуровневую вычислительную систему, которая смешивает аналоговое и цифровое с помощью некоторых схем управления УНТ. Нижний слой представляет собой кремниевую КМОП, которая покрыта слоем аналоговой RRAM и завершается двумя слоями цифровой RRAM, работающей на схеме углеродных нанотрубок.
Такие многоуровневые конструкции называются подходами «back-end-of-line». Слои УНТ могут быть построены поверх готовой кремниевой КМОП с использованием низкотемпературных методов, которые не повредят лежащий в основе чип. Команда Чжана использовала систему для реализации нейронной сети, и они прогнозируют, что она сможет использовать около 1/17 энергии и работать примерно в 119 раз быстрее, чем обычный чип.
В своем выступлении на конференции исполнительный вице-президент и со-главный операционный директор TSMC Ю-Джиер Ми сказал, что УНТ «могут быть интересны для будущего масштабирования или для разработки высокопроизводительной логики в серверной части».
Однако, чтобы достичь высокой производительности, УНТ-транзисторы нуждаются в дальнейшем развитии, говорит Шенгман Ли, постдок из Стэнфордского университета. Она является частью команды, которая сотрудничает с TSMC именно для этого. Схемы, подобные тем, что были построены в группе Цингуа, состоят из запутанных сетей наноматериала. Инженеры могут извлечь большую пользу из этих несовершенных транзисторов — в 2013 году советники Ли Вонг и Субхасиш Митра создали целый компьютер на основе таких устройств. Но когда инженеры смогут усовершенствовать конструкцию и изготовление выровненных транзисторов с одной нанотрубкой, они ожидают большего прироста производительности.