Projected Disc-type Phase-change Memory for Analog In-Memory Computing
Questo articolo introduce un'architettura compatta di memoria a cambiamento di fase di tipo a disco proiettato che supera i tradizionali compromessi nell'in-memory computing combinando un volume di commutazione ultra-confinato con un film sottile non isolante per ottenere un'alta precisione (avvicinandosi a 6 bit), una bassa conduttanza ed efficienza energetica utilizzando materiali convenzionali.
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I computer moderni sono incredibilmente veloci nel muovere i dati, ma spesso faticano quando viene chiesto loro di eseguire i massicci calcoli ripetitivi richiesti dall'intelligenza artificiale. Questo accade perché i design dei computer tradizionali separano la memoria, dove le informazioni sono memorizzate, dal processore, dove avviene il calcolo. Ogni volta che un calcolo deve essere eseguito, i dati devono viaggiare avanti e indietro tra queste due posizioni, un processo che consuma molta energia e rallenta tutto. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno sviluppando un nuovo approccio chiamato calcolo in memoria (in-memory computing), dove la memoria stessa funge da calcolatore. Una tecnologia promettente per questo è la memoria a cambiamento di fase (phase-change memory), che utilizza un materiale speciale capace di passare tra due stati: uno stato amorfo disordinato, che resiste al flusso di elettricità, e uno stato cristallino ordinato, che permette all'elettricità di fluire facilmente. Controllando attentamente quanto di questo materiale si trova in ciascuno stato, un singolo dispositivo può memorizzare una gamma di valori, proprio come un interruttore a regolazione di luminosità (dimmer) piuttosto che una semplice luce on-off, rendendolo ideale per la matematica complessa utilizzata nelle reti neurali. Tuttavia, affinché questa tecnologia sia pratica, i dispositivi devono essere piccoli, efficienti e abbastanza precisi da gestire migliaia di calcoli senza perdere accuratezza.
Un team di ricercatori di IBM Research e del Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano ha introdotto un nuovo design per questi dispositivi di memoria che riesce a bilanciare con successo queste esigenze contrastanti. Hanno creato una struttura compatta che utilizza uno strato molto sottile di materiale a cambiamento di fase, incastrato tra un minuscolo elettrodo inferiore e uno speciale strato di proiezione non isolante. L'innovazione chiave risiede nel modo in cui questo strato è disposto. Invece della tradizionale forma verticale utilizzata nella maggior parte dei chip di memoria, che assomiglia a un fungo, il loro design distribuisce il materiale attivo in modo piatto contro lo strato di proiezione. Quando il dispositivo viene resettato a uno stato di alta resistenza, una piccola regione del materiale diventa amorfa, ma la corrente fluisce ancora attraverso lo strato di proiezione sottostante. Questa configurazione consente al dispositivo di operare con un'energia estremamente bassa pur mantenendo una vasta gamma di livelli di conduttanza distinti. I ricercatori hanno scoperto che questa geometria non solo riduce la corrente elettrica necessaria per commutare il dispositivo a meno di 100 microampere, ma mantiene anche i valori di conduttanza molto bassi, sotto i 50 microsiemens, il che è fondamentale per minimizzare il consumo di energia durante i calcoli.
Il team ha costruito prototipi di dispositivi utilizzando un materiale non drogato standard chiamato germanio-antimonio-tellurio, comunemente usato nelle applicazioni di memoria, dimostrando che questi miglioramenti derivano dalla forma fisica del dispositivo piuttosto che da nuovi prodotti chimici esotici. Hanno integrato questi prototipi in una griglia di 10 per 8 celle, ciascuna controllata da un transistor, per testare quanto bene potessero eseguire compiti del mondo reale. I risultati sono stati sorprendenti. Il nuovo design ha permesso ai dispositivi di essere programmati con alta precisione, raggiungendo un'accuratezza computazionale che si avvicina ai sei bit. Ciò significa che i dispositivi possono distinguere in modo affidabile tra molti diversi livelli di conduttanza, un requisito per eseguire operazioni matematiche complesse senza errori. Al contrario, i vecchi design spesso faticano con il rumore e l'instabilità, il che limita la loro accuratezza a soli tre o quattro bit. La nuova architettura sopprime efficacementamente le fluttuazioni casuali nella conduttanza che solitamente affliggono questi materiali, garantendo che i valori memorizzati rimangano stabili nel tempo e attraverso diverse temperature.
Oltre a essere precisi, i dispositivi hanno mostrato una stabilità notevole. Quando i ricercatori hanno testato come la conduttanza cambiasse nel tempo, hanno scoperto che il drift, ovvero lo spostamento lento dei valori, è stato ridotto di un fattore venti rispetto ai design tradizionali. Questa stabilità è vitale perché significa che il computer non deve costantemente correggere i propri calcoli, risparmiando ancora più energia. I dispositivi hanno anche dimostrato la capacità di resistere a oltre un milione di cicli di commutazione senza degradarsi, un livello di durabilità che supera i requisiti della maggior parte delle applicazioni di memoria. I ricercatori hanno verificato questi risultati misurando i dispositivi a varie temperature e utilizzando la microscopia elettronica avanzata per guardare all'interno del materiale, confermando che la struttura atomica rimaneva intatta e ordinata anche dopo ripetute commutazioni. Hanno osservato che i grani cristallini all'interno del materiale si allineavano in un modello specifico e stratificato, il che aiuta a spiegare perché il dispositivo funzioni così bene.
Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre il singolo esperimento. I ricercatori hanno dimostrato che il loro design è compatibile con i processi di produzione standard utilizzati per fabbricare chip per computer, suggerendo che potrebbe essere scalato per la produzione di massa. Hanno anche mostrato che perfezionando ulteriormente il design, ad esempio facendo penetrare l'elettrodo inferiore nello stack di materiale per creare un contatto di bordo, avrebbero potuto ridurre ulteriormente la corrente di programmazione a circa 50 microampere. Questo livello di efficienza, unito all'alta precisione e stabilità, segna un passo significativo verso la realizzazione del calcolo in memoria. Sebbene la tecnologia sia ancora nella fase di prova di concetto, la capacità di eseguire calcoli complessi con una potenza così bassa e un'alta accuratezza suggerisce un futuro in cui i sistemi di intelligenza artificiale possano funzionare più velocemente ed efficientemente, potenzialmente su dispositivi che siano molto più piccoli e meno energivori di quelli disponibili oggi. Il lavoro conferma che, ingegnerizzando attentamente la forma fisica delle celle di memoria, è possibile superare i compromessi fondamentali che da tempo hanno frenato questa promettente tecnologia.
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