Projected Disc-type Phase-change Memory for Analog In-Memory Computing
Dit artikel introduceert een compacte geprojecteerde schijfachtige faseveranderingsgeheugenarchitectuur die de traditionele afwegingen in in-memory computing overwint door een ultra-beperkt schakelvolume te combineren met een niet-isolerende dunne film om een hoge precisie (naderend 6 bits), lage conductantie en energie-efficiëntie te bereiken met conventionele materialen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Moderne computers zijn ongelooflijk snel in het verplaatsen van gegevens, maar ze worstelen vaak wanneer ze gevraagd wordt om de enorme, repetitieve berekeningen die nodig zijn voor kunstmatige intelligentie uit te voeren. Dit komt omdat traditionele computerontwerpen het geheugen, waar informatie wordt opgeslagen, scheiden van de processor, waar berekeningen worden uitgevoerd. Elke keer dat een berekening moet plaatsvinden, moeten gegevens heen en weer reizen tussen deze twee locaties, een proces dat aanzienlijke energie verbruikt en alles vertraagt. Om dit op te lossen, ontwikkelen wetenschappers een nieuwe aanpak genaamd in-memory computing, waarbij het geheugen zelf als rekenmachine fungeert. Een veelbelovende technologie hiervoor is faseveranderingsgeheugen (phase-change memory), dat gebruikmaakt van een speciaal materiaal dat tussen twee toestanden kan schakelen: een ongeordende, amorfe toestand die de stroom van elektriciteit weerstaat, en een geordende, kristallijne toestand die elektriciteit gemakkelijk doorlaat. Door zorgvuldig te controleren hoeveel van dit materiaal zich in elke toestand bevindt, kan een enkel apparaat een reeks waarden opslaan, vergelijkbaar met een dimschakelaar in plaats van een eenvoudige aan/uit-schakelaar, wat het ideaal maakt voor de complexe wiskunde die wordt gebruikt bij neurale netwerken. Echter, om deze technologie praktisch te maken, moeten de apparaten klein, efficiënt en nauwkeurig genoeg zijn om duizenden berekeningen uit te voeren zonder aan nauwkeurigheid te verliezen.
Een team onderzoekers van IBM Research en de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad heeft een nieuw ontwerp geïntroduceerd voor deze geheugentoestellen dat erin slaagt om deze concurrerende behoeften succesvol te balanceren. Ze creëerden een compacte structuur die gebruikmaakt van een zeer dunne laag faseveranderingsmateriaal, gesandwicht tussen een minuscule onderste elektrode en een speciale, niet-isolerende projectielaag. De belangrijkste innovatie ligt in de manier waarop deze laag is gerangschikt. In plaats van de traditionele verticale vorm die in de meeste geheugenchips wordt gebruikt, die op een paddenstoel lijkt, verspreidt hun ontwerp het actieve materiaal plat tegen de projectielaag. Wanneer het apparaat wordt gereset naar een toestand met een hoge weerstand, wordt een klein deel van het materiaal amorf, maar de stroom vloeit nog steeds door de onderliggende projectielaag. Deze opstelling zorgt ervoor dat het apparaat met extreem lage energie kan werken terwijl het een breed scala aan onderscheidende geleidingsniveaus behoudt. De onderzoekers ontdekten dat deze geometrie de elektrische stroom die nodig is om het apparaat te schakelen niet alleen vermindert tot onder de 100 microampère, maar ook de geleidingswaarden zeer laag houdt, onder de 50 microsiemens, wat cruciaal is voor het minimaliseren van het energieverbruik tijdens berekeningen.
Het team bouwde prototype-apparaten met behulp van een standaard, niet-gedoteerd materiaal genaamd germanium-antimoon-tellurium, dat veel wordt gebruikt in geheugenapplicaties, waarmee werd bewezen dat deze verbeteringen voortkomen uit de fysieke vorm van het apparaat in plaats van uit exotische nieuwe chemicaliën. Ze integreerden deze prototypes in een raster van 10 bij 8 cellen, elk aangestuurd door een transistor, om te testen hoe goed ze realistische taken konden uitvoeren. De resultaten waren opmerkelijk. Het nieuwe ontwerp stelde de apparaten in staat om met hoge precisie te worden geprogrammeerd, waarbij een computationele nauwkeurigheid werd bereikt die zes bits benadert. Dit betekent dat de apparaten betrouwbaar tussen veel verschillende niveaus van geleidbaarheid kunnen onderscheiden, een vereiste voor het uitvoeren van complexe wiskundige operaties zonder fouten. In contrast hiermee hebben oudere ontwerpen vaak moeite met ruis en instabiliteit, wat hun nauwkeurigheid beperkt tot slechts drie of vier bits. De nieuwe architectuur onderdrukt effectief de willekeurige fluctuaties in geleidbaarheid die deze materialen gewoonlijk teisteren, waardoor de opgeslagen waarden stabiel blijven over tijd en verschillende temperaturen.
Naast het louter nauwkeurig te zijn, toonden de apparaten een opmerkelijke stabiliteit. Wanneer de onderzoekers testten hoe de geleidbaarheid in de loop van de tijd veranderde, ontdekten ze dat de drift, of de langzame verschuiving in waarden, met een factor twintig werd verminderd vergeleken met traditionele ontwerpen. Deze stabiliteit is essentieel omdat het betekent dat de computer niet constant zijn eigen berekeningen hoeft te corrigeren, wat nog meer energie bespaart. De apparaten vertoonden ook het vermogen om meer dan een miljoen schakelcycli te doorstaan zonder te degraderen, een niveau van duurzaamheid dat de eisen voor de meeste geheugenapplicaties overtreft. De onderzoekers verifieerden deze bevindingen door de apparaten op verschillende temperaturen te meten en door geavanceerde elektronenmicroscopie te gebruiken om in het materiaal te kijken, waarbij werd bevestigd dat de atomaire structuur intact en geordend bleef, zelfs na herhaaldelijk schakelen. Ze observeerden dat de kristallijne korrels binnen het materiaal zich in een specif
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.