I chip AI Memristor ibridi potrebbero essere scalabili

Combinando dispositivi atomicamente sottili con microchip convenzionali, gli scienziati hanno creato un'elettronica ibrida che imita il cervello e che può aiutare a implementare sistemi di intelligenza artificiale a rete neurale in un modo molto più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all'elettronica standard, secondo un nuovo studio.

Man mano che l’elettronica diventa sempre più piccola, gli scienziati stanno studiando materiali 2D atomicamente sottili per l’elettronica di prossima generazione. Ad esempio, il grafene è costituito da singoli strati di atomi di carbonio e il disolfuro di molibdeno è costituito da un foglio di atomi di molibdeno inserito tra due strati di atomi di zolfo.

"I materiali bidimensionali non solo hanno prestazioni elettriche all'avanguardia, ma hanno anche eccezionali proprietà termiche, meccaniche, ottiche e chimiche, che potrebbero portare a nuove applicazioni che ora non esistono", afferma Mario, autore senior dello studio. Lanza, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la King Abdullah University of Science and Technology, a Thuwal, Arabia Saudita.

"L'esperienza della maggior parte delle persone riguarda i semiconduttori. Noi siamo esperti negli isolanti."—Mario Lanza, King Abdullah University of Science and Technology

Numerosi team di ricerca hanno sviluppato dispositivi prototipo basati su materiali 2D. Tuttavia, nessuno ha dimostrato la capacità di calcolare o archiviare dati. Inoltre, la loro fabbricazione si basava principalmente su metodi di sintesi e lavorazione non compatibili con le tecniche standard del settore. Inoltre, la manipolazione di materiali 2D a strato singolo è impegnativa perché possono verificarsi difetti durante il trasferimento dalle superfici su cui vengono coltivati ​​su substrati più utili per le applicazioni. Questi difetti riducono la consistenza e la resa del dispositivo.

Ora gli scienziati hanno creato quello che dicono sia il primo microchip densamente integrato fabbricato con materiali 2D, il tutto utilizzando processi compatibili con l’industria dei semiconduttori. "Non solo abbiamo ottenuto proprietà eccellenti, ma anche un rendimento elevato e una bassa variabilità", afferma Lanza.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno sperimentato il nitruro di boro esagonale. Questa ceramica atomicamente sottile trova spesso utilizzo come materiale isolante nell'elettronica 2D. "L'esperienza della maggior parte delle persone riguarda i semiconduttori", afferma Lanza. "Siamo esperti in isolanti."

Gli scienziati volevano superare una serie di sfide affrontate dai precedenti dispositivi basati su materiali 2D. Ad esempio, invece di cercare di fabbricare transistor da materiali 2D, Lanza e i suoi colleghi miravano a creare memristor. I memristor, o resistori di memoria, sono essenzialmente interruttori che possono ricordare in quale stato elettrico sono stati commutati dopo che è stata spenta l'alimentazione.

Questo microchip ibrido 2D/CMOS si dimostra promettente per applicazioni memristive.Mario Lanza

"La maggior parte dei gruppi si concentra sui transistor, probabilmente perché sono i componenti di punta dell'elettronica", afferma Lanza. "Ci siamo invece concentrati sui memristor, che attualmente hanno una dimensione di mercato molto più piccola ma hanno anche un enorme potenziale per l'archiviazione dei dati, il calcolo, la crittografia e la comunicazione."

Gli scienziati di tutto il mondo sperano di utilizzare memristor e componenti simili per costruire dispositivi elettronici che, come i neuroni, possano sia elaborare che archiviare dati. Questi dispositivi memristivi possono ridurre notevolmente l'energia e il tempo persi quando i microchip convenzionali spostano i dati avanti e indietro tra i processori e la memoria. Tale hardware neuromorfico ispirato al cervello potrebbe rivelarsi ideale anche per implementare reti neurali. Questi sistemi di intelligenza artificiale trovano sempre più utilizzo in applicazioni come il supporto di veicoli autonomi e l’analisi di scansioni mediche.

I memristor sono "dispositivi semplici che tollerano i difetti", afferma Lanza. Al contrario, i transistor "richiedono un materiale cristallino perfetto", spiega. Lanza nota che i memristor non soffrono degli altri problemi che soffrono i transistor, come la resistenza di contatto, ovvero la resistenza elettrica nei punti di contatto con altri componenti.

Inoltre, laddove la maggior parte del lavoro precedente si basava su materiali 2D dello spessore di solo uno o due strati, Lanza e i suoi colleghi hanno utilizzato un foglio di materiale 2D costituito da circa 18 strati con uno spessore complessivo di circa 6 nanometri. "Questo materiale più spesso non è così facile da rompere", afferma Lanza.