Analogue Phase Change Computational Memory with High Precision Reads and Energy Efficient Writes

Computatie heeft lang vertrouwd op een scheiding tussen waar gegevens worden opgeslagen en waar ze worden verwerkt. In een standaardcomputer moet de hersen van de machine constant informatie heen en weer pendelen naar het geheugen, een reis die enorme hoeveelheden energie verbruikt en de prestaties vertraagt. Om deze flessenhals te overwinnen, hebben wetenschappers een andere aanpak verkend genaamd in-memory computing, waarbij het geheugen zelf de berekeningen uitvoert. Deze methode is bijzonder veelbelovend voor kunstmatige intelligentie, die enorme hoeveelheden wiskundige operaties vereist om patronen te herkennen en beslissingen te nemen. Het ideale geheugen voor deze taak zou in staat moeten zijn om een continu bereik aan waarden vast te houden, vergelijkbaar met een dimschakelaar in plaats van een eenvoudige aan/uit-lamp, waardoor het de complexe verbindingen van het menselijk brein kan nabootsen. Het bouwen van een apparaat dat klein genoeg is om miljoenen van deze eenheden samen te pakken, terwijl het nauwkeurig genoeg blijft om accuraat te berekenen en efficiënt genoeg is om te draaien zonder oververhit te raken, is echter een enorme uitdaging gebleken.

Een team van onderzoekers van IBM Research en de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad heeft nu een nieuw ontwerp geïntroduceerd voor een geheugentoestel dat deze tegenstrijdige eisen aanpakt. Ze concentreerden zich op een type geheugen dat bekend staat als phase-change memory (faseveranderingsgeheugen), dat informatie opslaat door een speciaal materiaal te schakelen tussen twee fysieke toestanden: een ongeordende, glasachtige staat en een geordende, kristallijne staat. Door zorgvuldig te controleren hoeveel van dit materiaal zich in de glasachtige staat bevindt, kan het apparaat verschillende niveaus van elektrische geleidbaarheid vasthouden, waardoor het effectief een getal opslaat. Het doel van de onderzoekers was om een versie van dit geheugen te creëren die zeer weinig stroom gebruikt om nieuwe informatie te schrijven en die met extreme precisie kan worden uitgelezen, terwijl het in een minuscule ruimte past.

De kern van hun innovatie ligt in de fysieke architectuur van het apparaat. In plaats van de traditionele verticale vorm die in de meeste geheugenchips wordt gebruikt, die lijkt op een paddenstoel, hebben ze een structuur ontworpen met een ultradunne laag van het faseveranderingsmateriaal, slechts ongeveer 5 nanometer dik. Deze laag bevindt zich tussen een onderste elektrode en een diëlektrische spacer, maar cruciaal is dat deze rust op een nog dunnere, niet-isolerende projectielaag van amorfe koolstof. Deze projectielaag fungeert als een continue brug die de volledige breedte van het apparaat overspant. Wanneer de onderzoekers een korte, intense elektrische puls toepassen om het materiaal te schakelen, smelten ze een kleine circulaire regio van de faseveranderingslaag direct boven de onderste elektrode, waardoor deze in de glasachtige staat verandert. De elektrische stroom stroomt dan door deze kleine glasachtige cirkel en de omliggende projectielaag, die parallel aan elkaar zijn verbonden. Omdat de projectielaag continu en zeer geleidend is, bepaalt deze het algehele elektrische gedrag van het apparaat, waardoor de stroom laag en stabiel blijft.

Deze specifieke opstelling stelt het apparaat in staat om een niveau van precisie te bereiken dat voorheen moeilijk te bereiken was. De onderzoekers toonden aan dat ze het apparaat konden programmeren om onderscheidende geleidingswaarden vast te houden met een nauwkeurigheid die de zes bits nadert, wat betekent dat het betrouwbaar tussen 64 verschillende weerstandsniveaus kan onderscheiden. In praktische termen is deze hoge precisie essentieel voor het uitvoeren van de complexe matrixberekeningen die vereist zijn door kunstmatige intelligentie. Bovendien vermindert het ontwerp de energie die nodig is om gegevens te schrijven drastisch. Het team mat de stroom die nodig is om het apparaat te schakelen en vond dat deze zo laag als 90 microampère kon zijn, een aanzienlijke daling ten opzichte van de honderden microampères die typisch nodig zijn door oudere ontwerpen. Deze vermindering wordt bereikt omdat de ultradunne geometrie de gegenereerde warmte van de elektrische stroom zo nauw begrenst dat er slechts een minuscuul volume materiaal wordt gesmolten, waardoor het verwarmingsproces ongelooflijk efficiënt wordt.

Naast efficiëntie en precisie lost het nieuwe apparaat een groot probleem op dat bekend staat als temporele instabiliteit. In veel geheugentechnologieën heeft de opgeslagen waarde de neiging om in de loop van de tijd te driften of te fluctueren door willekeurige elektrische ruis, wat fouten introduceert in berekeningen. De onderzoekers ontdekten dat hun ontwerp, met de continue projectielaag, deze fluctuaties aanzienlijk onderdrukt. Ze observeerden dat de drift in de opgeslagen waarden met een factor twintig werd verminderd vergeleken met conventionele apparaten, en de willekeurige ruis met een factor vier werd teruggebracht. Deze stabiliteit betekent dat het apparaat zijn geprogrammeerde staat betrouwbaar kan behouden, zelfs bij verhoogde temperaturen, waardoor de door het geheugen uitgevoerde berekeningen in de loop van de tijd nauwkeurig blijven.

Om te bewijzen dat deze individuele apparaten samen in een echt systeem zouden kunnen werken, bouwde het team een klein rooster, of crossbar array, met zestien van deze eenheden. Ze verbonden elke geheugencel met een transistor die fungeert als een schakelaar, waardoor ze de cellen afzonderlijk kunnen aansturen en uitlezen. Vervolgens testten ze de array door deze te programmeren met een reeks gewichten en door een wiskundige operatie uit te voeren die matrix-vectorvermenigvuldiging wordt genoemd, de fundamentele bouwsteen van neurale netwerkinferentie. De resultaten waren opmerkelijk: het hardware-systeem bereikte een effectieve computationele precisie van meer dan vijf bits. Dit niveau van nauwkeurigheid is een substantiële verbetering ten opzichte van de huidige state-of-the-art systemen, die doorgaans slechts drie of vier bits aan precisie halen. Het succes van dit experiment suggereert dat de nieuwe architectuur niet alleen een theoretisch concept is, maar een levensvatbaar pad naar het bouwen van dichte, energiezuinige en hoog-precieze computersystemen die op een dag de volgende generatie kunstmatige intelligentie kunnen aandrijven.

De onderzoekers verkenden ook variaties op dit ontwerp om de prestaties nog verder te pushen. Door de onderste elektrode zodanig te modificeren dat deze direct in de stapel materialen doordringt, waardoor een edge-contact configuratie ontstaat, waren ze in staat om de programmeerstroom te reduceren tot ongeveer 50 microampère. Deze wijziging verhoogde de lokale vermogensdichtheid bij het contactpunt, waardoor het verwarmen nog efficiënter werd. Gedurende deze experimenten gebruikte het team standaard, ongedoteerde materialen die compatibel zijn met bestaande fabricageprocessen, wat aangeeft dat deze technologie geïntegreerd kan worden in huidige productieprocessen zonder dat er volledig nieuwe fabricagemethoden nodig zijn. Hoewel de studie zich richtte op een specifiek bewijs van concept, bieden de resultaten een duidelijke routekaart voor het overwinnen van de trade-offs tussen dichtheid, energie en precisie die de ontwikkeling van in-memory computing al lang hinderen.