A medida que la inteligencia incorporada se abre camino en más áreas de nuestras vidas, campos que van desde la conducción autónoma hasta la medicina personalizada están generando enormes cantidades de datos. Pero justo cuando la avalancha de datos alcanza proporciones masivas, la capacidad de los chips de computadora para procesarla en información útil se está estancando.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Stanford y el MIT han creado un nuevo chip para superar este obstáculo. Los resultados se publican hoy en la revista Naturaleza , por el autor principal Max Shulaker, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en el MIT. Shulaker comenzó el trabajo como estudiante de doctorado junto a H.-S. Philip Wong y su asesor Subhasish Mitra, profesores de ingeniería eléctrica e informática en Stanford. El equipo también incluyó a los profesores Roger Howe y Krishna Saraswat, también de Stanford.

Hoy en día, las computadoras comprenden diferentes chips improvisados. Hay un chip para computación y un chip separado para almacenamiento de datos. y las conexiones entre los dos son limitadas. A medida que las aplicaciones analizan volúmenes de datos cada vez más masivos, la velocidad limitada a la que se pueden mover datos entre diferentes chips está creando un "cuello de botella" de comunicación crítico. Y con un espacio limitado en el chip, no hay suficiente espacio para colocarlos uno al lado del otro, incluso cuando han sido miniaturizados (un fenómeno conocido como Ley de Moore).

Para empeorar las cosas, los dispositivos subyacentes, transistores de silicio, ya no están mejorando al ritmo histórico que lo han hecho durante décadas.

El nuevo chip prototipo es un cambio radical con respecto a los chips actuales. Utiliza múltiples nanotecnologías, junto con una nueva arquitectura informática, para revertir ambas tendencias.

En lugar de depender de dispositivos basados ​​en silicio, el chip usa nanotubos de carbono, que son láminas de grafeno 2-D formadas en nanocilindros, y celdas de memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM), un tipo de memoria no volátil que opera cambiando la resistencia de un material dieléctrico sólido. Los investigadores integraron más de 1 millón de células RRAM y 2 millones de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono, haciendo el sistema nanoelectrónico más complejo jamás creado con nanotecnologías emergentes.

Los nanotubos de carbono y RRAM están construidos verticalmente uno sobre el otro, haciendo una nueva, arquitectura de computadora densa en 3-D con capas de lógica y memoria entrelazadas. Al insertar cables ultradensos entre estas capas, esta arquitectura 3-D promete solucionar el cuello de botella de la comunicación.

Sin embargo, tal arquitectura no es posible con la tecnología existente basada en silicio, según el autor principal del artículo, Max Shulaker, quien es un miembro central de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT. "Los circuitos de hoy son 2-D, Dado que la construcción de transistores de silicio convencionales implica temperaturas extremadamente altas de más de 1, 000 grados Celsius, ", dice Shulaker." Si luego construyes una segunda capa de circuitos de silicio en la parte superior, esa alta temperatura dañará la capa inferior de los circuitos ".

La clave de este trabajo es que los circuitos de nanotubos de carbono y la memoria RRAM se pueden fabricar a temperaturas mucho más bajas. por debajo de 200 ° C ". Esto significa que se pueden construir en capas sin dañar los circuitos que se encuentran debajo, "Dice Shulaker.

Esto proporciona varios beneficios simultáneos para los futuros sistemas informáticos. "Los dispositivos son mejores:la lógica hecha de nanotubos de carbono puede ser un orden de magnitud más eficiente energéticamente en comparación con la lógica actual hecha de silicio, y de manera similar, RRAM puede ser más denso, más rápido, y más eficiente energéticamente en comparación con DRAM, "Wong dice, refiriéndose a una memoria convencional conocida como memoria dinámica de acceso aleatorio.

"Además de los dispositivos mejorados, La integración 3-D puede abordar otra consideración clave en los sistemas:las interconexiones dentro y entre chips, "Añade Saraswat.

"La nueva arquitectura de computadora 3-D proporciona una integración densa y fina de la computación y el almacenamiento de datos, superando drásticamente el cuello de botella de mover datos entre chips, "Dice Mitra." Como resultado, el chip puede almacenar cantidades masivas de datos y realizar un procesamiento en el chip para transformar una avalancha de datos en información útil ".

Para demostrar el potencial de la tecnología, los investigadores aprovecharon la capacidad de los nanotubos de carbono para actuar también como sensores. En la capa superior del chip colocaron más de 1 millón de sensores basados ​​en nanotubos de carbono, que utilizaron para detectar y clasificar gases ambientales.

Debido a las capas de detección, almacenamiento de datos, y computación, el chip pudo medir cada uno de los sensores en paralelo, y luego escribir directamente en su memoria, generando un gran ancho de banda, Dice Shulaker.

"Una gran ventaja de nuestra demostración es que es compatible con la infraestructura de silicio actual, tanto en términos de fabricación como de diseño, "dice Howe.

"El hecho de que esta estrategia sea compatible con CMOS [semiconductor de óxido de metal complementario] y viable para una variedad de aplicaciones sugiere que es un paso significativo en el avance continuo de la Ley de Moore, "dice Ken Hansen, presidente y director ejecutivo de Semiconductor Research Corporation, que apoyó la investigación. "Para mantener la promesa de la economía de la Ley de Moore, Se requieren enfoques heterogéneos innovadores ya que la escala dimensional ya no es suficiente. Este trabajo pionero encarna esa filosofía ".

El equipo está trabajando para mejorar las nanotecnologías subyacentes, mientras explora la nueva arquitectura informática 3-D. Para Shulaker, el siguiente paso es trabajar con la empresa de semiconductores Analog Devices, con sede en Massachusetts, para desarrollar nuevas versiones del sistema que aprovechen su capacidad para llevar a cabo la detección y el procesamiento de datos en el mismo chip.

Entonces, por ejemplo, los dispositivos podrían usarse para detectar signos de enfermedad al detectar compuestos particulares en la respiración de un paciente, dice Shulaker.

"La tecnología no solo podría mejorar la informática tradicional, pero también abre una gama completamente nueva de aplicaciones a las que podemos dirigirnos, ", dice." Mis estudiantes ahora están investigando cómo podemos producir chips que hagan más que solo computación ".

"Esta demostración de la integración 3D de sensores, memoria, y la lógica es un desarrollo excepcionalmente innovador que aprovecha la tecnología CMOS actual con las nuevas capacidades de los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono, "dice Sam Fuller, CTO emérito de Analog Devices, que no participó en la investigación. "Esto tiene el potencial de ser la plataforma para muchas aplicaciones revolucionarias en el futuro".