Новини світових ЗМІ з аналітикою від Діогена

Китайський наноелектронний прорив: вчені з Пекінського університету створили фероелектричний транзистор із затвором розміром лише 1 нанометр. Пристрій працює за наднизької напруги 0,6 вольта, що вперше в історії зрівняло енергоспоживання модулів пам’яті та логічних чипів. Технологія може кардинально змінити індустрію штучного інтелекту, де до 90 відсотків енергії витрачається не на обчислення, а на переміщення даних.

Наноелектронний прорив стався у стінах одного з найстаріших університетів Китаю. Група дослідників із Пекінського університету оголосила про створення найменшого у світі фероелектричного транзистора. Результати роботи опубліковано в авторитетному журналі Science Advances.

Що означає цей фероелектричний транзистор для звичайного користувача? Передусім — довшу автономність смартфонів, розумних годинників та інших портативних пристроїв. А ще — суттєве зменшення енергоспоживання центрів обробки даних, які живлять сучасний штучний інтелект.

Один нанометр: межа можливого

Китайські вчені досягли того, що ще кілька років тому здавалося фантастикою. Фізичний розмір затвора нового транзистора становить лише один нанометр. Для порівняння: людська волосина має діаметр близько 80 000 нанометрів. Йдеться про структуру розміром у декілька атомів.

Проте справжня революція криється не в мініатюризації. Пристрій працює за робочої напруги лише 0,6 вольта. Сучасні логічні мікросхеми використовують 0,7 вольта — різниця невелика. Однак традиційна флешпамʼять типу NAND потребує 5 вольтів і більше для запису інформації. Така невідповідність створювала справжній технологічний глухий кут.

Чому це важливо? Уявіть собі фабрику, де одні машини працюють від напруги 220 вольтів, а інші — від 12 вольтів. Потрібні трансформатори, перетворювачі, додаткові кабелі. Все це займає місце, споживає енергію, ускладнює виробництво. Саме так виглядала ситуація із сучасними мікросхемами.

Чому 5 вольтів — це забагато

Проблема несумісності напруг переслідувала напівпровідникову галузь десятиліттями. Логічні чипи — ті, що виконують обчислення — поступово ставали дедалі енергоефективнішими. Їхня робоча напруга знизилася до 0,7 вольта. Але памʼять залишалася “енергетичним динозавром”.

Флешпамʼять NAND використовує високу напругу для “проштовхування” електронів через ізоляційний шар. Фізика процесу вимагала щонайменше 5 вольтів. Деякі операції потребували навіть 15–20 вольтів. Це створювало каскад проблем.

Для узгодження логіки та памʼяті інженери змушені були додавати складні схеми перетворення напруги. Зарядові насоси, регулятори, буферні каскади — все це займало дорогоцінне місце на кристалі. Споживало енергію. Виділяло тепло. І, найголовніше, — створювало затримки при передачі даних між процесором та пам’яттю.

Новий фероелектричний транзистор вперше в історії досягає сумісності напруг. Модулі памʼяті та логічні елементи можуть працювати на однаковому рівні — 0,6 вольта. Складні перетворювачі більше не потрібні.

90 відсотків енергії на переміщення даних

Цифра здається неймовірною, але це суворий факт. У типових чипах для штучного інтелекту від 60 до 90 відсотків загального енергоспоживання витрачається не на обчислення. Ця енергія йде на переміщення даних між памʼятю та обчислювальними блоками.

Сучасні центри обробки даних споживають електроенергію, порівнянну з невеликими містами. За оцінками Goldman Sachs, один сучасний сервер для штучного інтелекту потребує стільки електрики, скільки споживає понад тисяча американських домогосподарств. І левова частка цієї енергії — банальні втрати на передачу інформації.

За останні двадцять років обчислювальна потужність процесорів зросла у 90 000 разів. Водночас швидкість передачі даних збільшилася лише у 30 разів. Цей розрив називають “памʼятєвою стіною”. Він став головним обмеженням для розвитку штучного інтелекту.

Рецензенти Science Advances особливо відзначили: нова технологія вперше досягає сумісності напруг між фероелектричною пам’яттю та логічними транзисторами. Дані можуть передаватися між памʼятю та обчислювальними блоками за однакової низької напруги. Без бар’єрів. Із наднизьким енергоспоживанням. Із високою швидкістю взаємодії.

Хто стоїть за проривом

Дослідження очолили двоє вчених: старший науковий співробітник Цю Ченьгуан та академік Китайської академії наук Пен Ляньмао. Обидва працюють у Пекінському університеті, одному з найпрестижніших навчальних закладів КНР.

Академік Пен Ляньмао — визнаний світовий авторитет у галузі наноелектроніки. Він здобув докторський ступінь в Університеті штату Аризона ще 1988 року. Працював в Оксфордському університеті. З 1999 року — професор Пекінського університету, директор Центру вуглецевої наноелектроніки.

Команда Пена раніше прославилася іншим досягненням. У 2017 році вони створили транзистор на основі вуглецевих нанотрубок із затвором 5 нанометрів. Результати опублікували у журналі Science. Вуглецеві нанотрубки працюють утричі швидше за найсучасніші кремнієві транзистори Intel при значно нижчому енергоспоживанні.

Цю Ченьгуан пояснив практичне значення відкриття лаконічно. Їхня робота вирішує проблему несумісності напруг між пам’яттю та логікою. Дані тепер можуть передаватися між цими компонентами за однакової низької напруги. Без додаткових перетворень.

Від лабораторії до заводу

Науковий прорив — лише половина справи. Друга половина — промислове впровадження. І тут китайські дослідники мають обнадійливі новини.

Принцип, що лежить в основі технології, є універсальним. Його можна застосувати до поширених фероелектричних матеріалів, які вже використовуються у напівпровідниковій промисловості. Не потрібно винаходити екзотичні речовини чи будувати принципово нові виробничі лінії.

Технологію можна масово виробляти з використанням стандартних промислових процесів. Це ключова перевага над багатьма лабораторними розробками, які залишаються цікавими лише для наукових публікацій. Нові транзистори демонструють високу промислову сумісність.

Фізичний механізм роботи пристрою, за оцінкою рецензентів Science Advances, має значні наслідки для розвитку всього сектора памʼяті. Ідеться не просто про поліпшення існуючих технологій. Можливо, про зміну парадигми.

Де працюватиме новий транзистор

Дослідники окреслили широкий спектр майбутніх застосувань. Найочевидніше — прискорення обчислень великих мовних моделей штучного інтелекту. Саме такі моделі живлять сучасні чатботи, перекладачі, генератори зображень.

Читайте також:

Дефіцит чипів пам’яті паралізує електроніку: ШІ пожирає DRAM

Інший напрямок — периферійний інтелект. Це обчислення, що відбуваються безпосередньо на пристрої, а не у хмарних серверах. Смартфон, що розпізнає обличчя без підключення до інтернету. Камера безпеки, що аналізує відео локально. Медичний браслет, що відстежує серцевий ритм у реальному часі.

Носимі пристрої — окрема історія. Розумні годинники, фітнес-трекери, медичні сенсори обмежені ємністю мініатюрних батарей. Зменшення енергоспоживання чипів безпосередньо впливає на тривалість роботи між зарядженнями. Технологія наднизької напруги може подвоїти чи потроїти автономність таких гаджетів.

Нарешті, інтернет речей. Мільярди датчиків, підключених до мережі, потребують дешевих та енергоефективних процесорів. Багато з них працюють роками від однієї батарейки або взагалі живляться від збору енергії навколишнього середовища. Для таких застосувань кожен зайвий мілівольт — на вагу золота.

Чи означає це, що нові транзистори з’являться у ваших гаджетах наступного року? Навряд чи. Шлях від лабораторної демонстрації до комерційного продукту зазвичай займає від п’яти до десяти років. Однак напрямок руху визначено. І цей напрямок — радикальне зменшення енергоспоживання електроніки при одночасному підвищенні продуктивності.

За матеріалами:

• Chinese researchers create advanced transistor with ultralow power consumption chinadaily.com.cn
• Chinese researchers create advanced transistor with ultralow power consumption english.news.cn