Ученые швейцарской федеральной политехнической школы в Лозанне (EPFL) в ноябре 2023 года представили миру потрясающие достижения в области создания более энергоэффективных процессоров. Ученые разработали устройство, объединяющее около 1000 транзисторов в одном процессоре, используя дисульфид молибдена. Оно способно выполнять сложные операции векторно-матричного умножения и значительно отличается от традиционной архитектуры фон Неймана.
Что же делает этот процессор настолько выдающимся? Он стал первым в своем роде устройством, которое функционирует прямо в оперативной памяти, используя двумерные полупроводниковые материалы. Этот важный шаг может оказать огромное влияние на развитие всей индустрии полупроводников.
Однако его значение не ограничивается техническими характеристиками. Этот процессор обладает потенциалом существенно улучшить энергетическую эффективность в области информационных и коммуникационных технологий. Работая непосредственно в оперативной памяти и используя двумерные полупроводниковые материалы, он открывает новые горизонты для создания устройств, способных выполнять задачи с минимальным энергопотреблением. Это не только экономически выгодно, но и может иметь существенное значение для сокращения негативного влияния на окружающую среду, уменьшая общий углеродный след в сфере информационных и коммуникационных технологий.
Почему стоит переживать из-за выбросов от ИКТ
В процессе обработки данных информационные и коммуникационные технологии преобразуют электроэнергию в тепло. Что удивительно, выбросы углекислого газа от них уже соперничают с выбросами от авиации.
Еще более поражает то, что значительная часть энергии, потребляемой компьютерными процессорами, не направляется на выполнение вычислений. Вместо этого она расходуется на передачу байтов между памятью и процессором — этот процесс значительно ресурсозатратнее.
Надежды на решение этой проблемы возлагаются на исследователей из Швейцарии, точнее, на EPFL. Они представили последний технологический прорыв: процессор, который обрабатывает и хранит информацию в одном устройстве. Разработка основана на двумерном полупроводниковом материале, содержащем около 1000 транзисторов. Это значимое достижение, открывающее новые перспективы для более эффективной работы компьютеров и существенного сокращения их энергопотребления.
Проблема традиционной архитектуры
Согласно Андрашу Кису, главная неэффективность современных процессоров обусловлена традиционной архитектурой, предложенной математиком Джоном фон Нейманом в середине 1940-х годов. Эта концепция описывает структуру компьютера, где данные и инструкции для их обработки хранятся в одном месте.
Традиционная архитектура фон Неймана включает следующие характеристики:
Центральный процессор (ЦП): осуществляет арифметические и логические операции, управляет выполнением инструкций, получая данные из общей памяти.
Память: хранит всю информацию, включая данные и программы.
Шина: канал передачи данных и инструкций между процессором, памятью и другими устройствами в компьютере.
Устройства ввода-вывода (УВВ): обеспечивают обмен данными между компьютером и внешним миром.
Секвенцирование инструкций: ЦП последовательно выполняет инструкции из памяти, обеспечивая выполнение программ.
Универсальность: компьютеры способны решать различные задачи.
Основной недостаток этой архитектуры, по мнению Андраша Киса, заключается в физическом разделении компонентов для обмена и хранения данных. Это приводит к извлечению процессорами данных из памяти для выполнения вычислений, что сопровождается энергозатратами: передвижение электрических зарядов, зарядка и разрядка конденсаторов, а также передача токов по линиям, сопровождающимся потерями энергии в виде тепла.
2D-архитектура процессора
В ноябре 2023 года группа исследователей представила процессор, основанный на дисульфиде молибдена, специально разработанный для выполнения одной из ключевых операций в обработке информации: умножения векторных матриц. Она критически важна в цифровом мире и реализации моделей искусственного интеллекта. Повышение эффективности в этой сфере может значительно снизить энергопотребление в области информационных и коммуникационных технологий.
Новый процессор объединяет 1024 элемента на кристалле размером 1*1 сантиметр. Каждый из них содержит 2D-транзисторы на базе дисульфида молибдена и имеет плавающий затвор, используемый для хранения заряда в памяти и контроля проводимости каждого транзистора. Такое слияние обработки и памяти — фундаментальный сдвиг, который меняет подход к способу вычисления. Оно может открыть новые горизонты в области вычислительной эффективности и энергосбережения в информационных технологиях.
Практическое применение
Выбор дисульфида молибдена стал решающим моментом в создании процессора оперативной памяти, применение этого материала обусловлено несколькими уникальными характеристиками. Во-первых, он — полупроводник, что критически важно для формирования транзисторов. Во-вторых, в отличие от широко используемого кремния, дисульфид молибдена образует стабильный монослой толщиной всего в 3 атома и слабо реагирует на окружающую среду. Такая минимальная толщина позволяет создавать устройства крайне компактных размеров.
Кроме того, помимо научного значения данного открытия, Андраш Киш рассматривает его как пример не только важности научного сотрудничества между Швейцарией и Европейским союзом, но и в контексте европейского закона о чипах. Он направлен на повышение конкурентоспособности и устойчивости сектора полупроводниковых технологий. Такой шаг может стать ключевым в развитии инноваций и обеспечении устойчивости европейской индустрии полупроводниковых технологий.