p À medida que a inteligência incorporada está encontrando seu caminho em cada vez mais áreas de nossas vidas, campos que vão da direção autônoma à medicina personalizada estão gerando enormes quantidades de dados. Mas, assim como a enxurrada de dados está atingindo proporções massivas, a capacidade dos chips de computador de processá-la em informações úteis está diminuindo. p Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford e do MIT construíram um novo chip para superar esse obstáculo. Os resultados são publicados hoje na revista. Natureza , pelo autor principal Max Shulaker, professor assistente de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT. Shulaker começou o trabalho como estudante de doutorado ao lado de H.-S. Philip Wong e seu conselheiro Subhasish Mitra, professores de engenharia elétrica e ciência da computação em Stanford. A equipe também incluiu os professores Roger Howe e Krishna Saraswat, também de Stanford.

p Os computadores de hoje são compostos por diferentes chips montados juntos. Existe um chip para computação e um chip separado para armazenamento de dados, e as conexões entre os dois são limitadas. Conforme os aplicativos analisam volumes cada vez maiores de dados, a taxa limitada na qual os dados podem ser movidos entre chips diferentes está criando um "gargalo" de comunicação crítico. E com espaço limitado no chip, não há espaço suficiente para colocá-los lado a lado, mesmo quando eles foram miniaturizados (um fenômeno conhecido como Lei de Moore).

p Para piorar as coisas, os dispositivos subjacentes, transistores feitos de silício, não estão mais melhorando ao ritmo histórico de décadas.

p O novo protótipo de chip é uma mudança radical em relação aos chips atuais. Ele usa várias nanotecnologias, junto com uma nova arquitetura de computador, para reverter essas duas tendências.

p Em vez de depender de dispositivos baseados em silício, o chip usa nanotubos de carbono, que são folhas de grafeno 2-D formadas em nanocilindros, e células resistivas de memória de acesso aleatório (RRAM), um tipo de memória não volátil que opera alterando a resistência de um material dielétrico sólido. Os pesquisadores integraram mais de 1 milhão de células RRAM e 2 milhões de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono, tornando o sistema nanoeletrônico mais complexo já feito com nanotecnologias emergentes.

p O RRAM e os nanotubos de carbono são construídos verticalmente um sobre o outro, fazendo um novo, densa arquitetura de computador 3-D com camadas intercaladas de lógica e memória. Ao inserir fios ultradensos entre essas camadas, esta arquitetura 3-D promete resolver o gargalo de comunicação.

p Contudo, tal arquitetura não é possível com a tecnologia existente à base de silício, de acordo com o autor principal do artigo, Max Shulaker, que é um membro principal dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas do MIT. "Os circuitos hoje são 2-D, uma vez que construir transistores de silício convencionais envolve temperaturas extremamente altas de mais de 1, 000 graus Celsius, "diz Shulaker." Se você construir uma segunda camada de circuitos de silício no topo, que a alta temperatura danificará a camada inferior dos circuitos. "

p A chave neste trabalho é que os circuitos de nanotubos de carbono e a memória RRAM podem ser fabricados em temperaturas muito mais baixas, abaixo de 200 C. "Isso significa que eles podem ser construídos em camadas sem danificar os circuitos abaixo, "Shulaker diz.

p Isso fornece vários benefícios simultâneos para futuros sistemas de computação. "Os dispositivos são melhores:a lógica feita de nanotubos de carbono pode ser uma ordem de magnitude mais eficiente em termos de energia em comparação com a lógica atual feita de silício, e da mesma forma, RRAM pode ser mais denso, mais rápido, e mais eficiente em termos de energia em comparação com DRAM, "Wong diz, referindo-se a uma memória convencional conhecida como memória dinâmica de acesso aleatório.

p "Além de dispositivos aprimorados, A integração 3-D pode abordar outra consideração importante em sistemas:as interconexões dentro e entre os chips, "Saraswat acrescenta.

p "A nova arquitetura de computador 3-D oferece integração densa e refinada de computação e armazenamento de dados, superar drasticamente o gargalo da movimentação de dados entre chips, "Mitra diz." Como resultado, o chip é capaz de armazenar grandes quantidades de dados e realizar processamento on-chip para transformar um dilúvio de dados em informações úteis. "

p Para demonstrar o potencial da tecnologia, os pesquisadores aproveitaram a capacidade dos nanotubos de carbono de também atuarem como sensores. Na camada superior do chip, eles colocaram mais de 1 milhão de sensores baseados em nanotubos de carbono, que eles usaram para detectar e classificar gases ambientais.

p Devido às camadas de detecção, armazenamento de dados, e computação, o chip foi capaz de medir cada um dos sensores em paralelo, e, em seguida, escreva diretamente em sua memória, gerando grande largura de banda, Shulaker diz.

p "Uma grande vantagem de nossa demonstração é que ela é compatível com a infraestrutura de silício de hoje, tanto em termos de fabricação quanto de design, "diz Howe.

p "O fato de que esta estratégia é compatível com CMOS [semicondutor de óxido de metal complementar] e viável para uma variedade de aplicações sugere que é um passo significativo no avanço contínuo da Lei de Moore, "diz Ken Hansen, presidente e CEO da Semiconductor Research Corporation, que apoiou a pesquisa. "Para sustentar a promessa da economia da Lei de Moore, abordagens heterogêneas inovadoras são necessárias, pois o dimensionamento dimensional não é mais suficiente. Este trabalho pioneiro incorpora essa filosofia. "

p A equipe está trabalhando para melhorar as nanotecnologias subjacentes, enquanto explora a nova arquitetura de computador 3-D. Para Shulaker, a próxima etapa é trabalhar com a empresa de semicondutores Analog Devices, com sede em Massachusetts, para desenvolver novas versões do sistema que aproveitem sua capacidade de realizar sensoriamento e processamento de dados no mesmo chip.

p Então, por exemplo, os dispositivos podem ser usados ​​para detectar sinais de doença, detectando compostos específicos na respiração de um paciente, diz Shulaker.

p "A tecnologia não pode apenas melhorar a computação tradicional, mas também abre toda uma nova gama de aplicativos que podemos direcionar, "ele diz." Meus alunos agora estão investigando como podemos produzir chips que fazem mais do que apenas computação. "

p "Esta demonstração da integração 3-D de sensores, memória, e a lógica é um desenvolvimento excepcionalmente inovador que alavanca a tecnologia CMOS atual com os novos recursos dos transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono, "diz Sam Fuller, CTO emérito da Analog Devices, que não participou da pesquisa. "Isso tem o potencial de ser a plataforma para muitas aplicações revolucionárias no futuro."