存算一体新进展：EPFL革命性芯片体系架构登上Nature 机器之心报道 机器之心编辑部受到冯 · 诺依曼架构的限制，现有的计算机数据处理和数据存储在芯片的两个独立单元中进行，二者之间的数据传输造成了大量的时间和电力消耗。在最新的一篇《Narure》论文中，瑞士洛桑联邦理工学院的研究者将二者合并到了一个架构里，这可能对 AI 领域带来革命性的影响。 在这篇论文中，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）纳米电子与结构实验室的研究者表示，他们研发出了一种新的计算机芯片，可以将逻辑运算和数据存储放到一个架构里。这种电路体积更小、速度更快也更加节能。 这是电子领域的重大突破，为未来高效设备的出现铺平了道路，为依赖 AI 的应用找到了一条很有前途的方向。 这项研究的革命性在于，他们首次用一种 2D 材料创造了一个「逻辑 - 存储」二合一的架构。 到目前为止，计算机芯片的能效一直受到当前计算机所用的冯 · 诺依曼架构的限制。在该架构中，数据处理和数据存储在两个独立的单元中进行。这意味着，数据必须在两个单元之间不断传输，而这需要花费大量的时间和能源。 将两个单元合并为单一结构，损失就能有效减少，这就是 EPFL 开发这款芯片的设计思想。相比于现有的内存逻辑设备，EPFL 迈出了新的一步。EPFL 芯片由二硫化钼（MoS_2）制成。MoS_2 是一种 2D 材料，由仅 3 个原子厚的单层组成。同时它也是出色的半导体材料。早在几年前，LANES 的工程师就已经对 MoS_2 的特殊属性进行了研究，发现其特别适用于电子领域。现在该团队已经将最初的研究发现应用于开发下一代芯片技术。 EPFL 芯片是在浮栅场效应晶体管（FGFET）的基础上构建的。这些晶体管的优点是它们可以长时间存储电荷，常被用于相机、智能手机和计算机的闪存系统中。MoS_2 独特的电气特性使其对 FGFET 中存储的电荷非常敏感，这使得 LANES 的工程师能够开发既可以用作存储器的存储单元，又能够用作可编程晶体管的电路。使用 MoS_2 能够将多个处理功能整合到单个电路中，并根据需要进行更改。 下图 1（a）和 1（b）显示了这项研究所提到的浮栅内存结构及其侧视图。该装置拥有一个本地铬 / 钯（2nm/80nm）底栅（bottom gate）和一个薄膜铂浮栅（5nm 厚），这使得该装置具有一个连续、光滑的表面。金属表面粗糙度的降低减少了顶部隧穿氧化层（tunnel oxide）与 2D 通道交界处的电介质紊乱，提高了装置的性能和稳定性。blocking 和 隧穿氧化层（厚度分别为 30nm 和 7nm）都包含由原子层沉积储存的 high-κ电介质 HfO_2，以实现半导体通道内电场的有效调制。最后，上述部位与漏极（Drain）和源极（Source）之间的连接由钛 / 金堆叠而成，以获得高载流子注入效率的类欧姆接触。 图 1: 内存设备架构。 图 1（c）显示了本文中提到的存储器阵列的光学显微图示。我们注意到，所有的装置部件都是以一种可扩展的方式装备的。也就是说，这里没有使用任何剥离型材料。 存算一体化，可能是突破 AI 算力瓶颈的关键技术。在业界，英特尔、Arm、微软等公司都已参与到该技术方向的投资，但因为技术的复杂性，目前人们还没有看到广泛获得应用的产品。洛桑联邦理工提出的新方法，为体系架构带来了新的希望。LANES 的负责人 Andras Kis 表示：「这种电路运行两种功能的能力类似于人脑的工作方式，其中神经元既能够存储记忆又能够进行心理计算。」 这种电路设计的优势在于，它可以减少内存单元和处理器之间传输数据所导致的能量消耗，减少计算所需要的时间和空间。这就为更小、更强大、更节能的设备创造了无限机会。 LANES 研究团队同时也具备利用 2D 材料制造电路的专业知识。「我们在十年前手工打造了第一块芯片」Kis 说，「但自从那以后，我们开发了一种先进的制造工艺，一次可制造 80 块芯片以上，并具备良好的控制性能。」 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2861-0.epdf?sharing_token=APD3W3ztzueJyPeIs8qZb9RgN0jAjWel9jnR3ZoTv0Nmm4bIFbDqwDFkfstmUzg1ttv9UkeUMG-anf2b5t_j05JOV8zwvS4kxVanWPoi35Y_eaPZmn6tS4f88yuE6M90QwZkql5lXtdt7CUzCgiG0uGMXXw5oNKA3L1RQRQ4H_E%3D 参考链接：https://actu.epfl.ch/news/next-generation-computer-chip-with-two-heads/ 11 月 14 日，DevRun 开发者沙龙华为云即将登陆上海。华为云技术大咖将带领开发者玩转 ModelArts，并解读华为云 IoT 服务与 AI 如何实现互通；聚焦华为云 ModelArts 和 IoT 智能设备，为开发者带来一场干货满满的技术盛宴。扫描二维码，参与报名。 ?THE END 转载请联系本公众号获得授权 投稿或寻求报道：content@jiqizhixin.com