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  • La puce tridimensionnelle combine l'informatique et le stockage de données

    Le nanosystème 3D. Crédit: La nature (2017). DOI :10.1038/nature22994

    Alors que l'intelligence embarquée se fraie un chemin dans de plus en plus de domaines de notre vie, des domaines allant de la conduite autonome à la médecine personnalisée génèrent d'énormes quantités de données. Mais alors que le flot de données atteint des proportions massives, la capacité des puces informatiques à les traiter en informations utiles stagne.

    Maintenant, des chercheurs de l'Université de Stanford et du MIT ont construit une nouvelle puce pour surmonter cet obstacle. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue La nature , par l'auteur principal Max Shulaker, professeur adjoint de génie électrique et d'informatique au MIT. Shulaker a commencé le travail en tant que doctorant aux côtés de H.-S. Philip Wong et son conseiller Subhasish Mitra, professeurs de génie électrique et d'informatique à Stanford. L'équipe comprenait également les professeurs Roger Howe et Krishna Saraswat, aussi de Stanford.

    Les ordinateurs d'aujourd'hui sont constitués de différentes puces bricolées. Il y a une puce pour le calcul et une puce séparée pour le stockage des données, et les liens entre les deux sont limités. Alors que les applications analysent des volumes de données de plus en plus massifs, le débit limité auquel les données peuvent être déplacées entre les différentes puces crée un « goulot d'étranglement » de communication critique. Et avec des biens immobiliers limités sur la puce, il n'y a pas assez de place pour les placer côte à côte, même s'ils ont été miniaturisés (un phénomène connu sous le nom de loi de Moore).

    Pour empirer les choses, les appareils sous-jacents, transistors en silicium, ne s'améliorent plus au rythme historique qu'ils ont depuis des décennies.

    Le nouveau prototype de puce est un changement radical par rapport aux puces d'aujourd'hui. Il utilise de multiples nanotechnologies, avec une nouvelle architecture informatique, pour inverser ces deux tendances.

    Au lieu de s'appuyer sur des appareils à base de silicium, la puce utilise des nanotubes de carbone, qui sont des feuilles de graphène 2-D formées en nanocylindres, et des cellules de mémoire vive résistive (RRAM), un type de mémoire non volatile qui fonctionne en modifiant la résistance d'un matériau diélectrique solide. Les chercheurs ont intégré plus d'un million de cellules RRAM et 2 millions de transistors à effet de champ à nanotubes de carbone, fabrication du système nanoélectronique le plus complexe jamais réalisé avec les nanotechnologies émergentes.

    La RRAM et les nanotubes de carbone sont construits verticalement les uns sur les autres, faire un nouveau, architecture informatique 3D dense avec des couches de logique et de mémoire entrelacées. En insérant des fils ultradenses entre ces couches, cette architecture 3-D promet de remédier au goulot d'étranglement de la communication.

    Cependant, une telle architecture n'est pas possible avec la technologie existante à base de silicium, selon l'auteur principal de l'article, Max Shulaker, qui est un membre essentiel des laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT. « Les circuits d'aujourd'hui sont en 2D, puisque la construction de transistors au silicium conventionnels implique des températures extrêmement élevées de plus de 1, 000 degrés Celsius, " dit Shulaker. " Si vous construisez ensuite une deuxième couche de circuits de silicium sur le dessus, cette température élevée endommagera la couche inférieure des circuits."

    La clé de ce travail est que les circuits de nanotubes de carbone et la mémoire RRAM peuvent être fabriqués à des températures beaucoup plus basses, en dessous de 200 C. "Cela signifie qu'ils peuvent être construits en couches sans endommager les circuits en dessous, " dit Shulaker.

    Cela offre plusieurs avantages simultanés pour les futurs systèmes informatiques. « Les appareils sont meilleurs :la logique en nanotubes de carbone peut être d'un ordre de grandeur plus économe en énergie par rapport à la logique actuelle en silicium, et pareillement, La RRAM peut être plus dense, plus rapide, et plus économe en énergie par rapport à la DRAM, " Wong dit, se référant à une mémoire conventionnelle connue sous le nom de mémoire vive dynamique.

    "En plus des appareils améliorés, L'intégration 3D peut répondre à une autre considération clé dans les systèmes :les interconnexions au sein et entre les puces, " ajoute Saraswat.

    "La nouvelle architecture informatique 3-D offre une intégration dense et fine du calcul et du stockage de données, surmonter de manière drastique le goulot d'étranglement lié au transfert de données entre les puces, " dit Mitra. " En conséquence, la puce est capable de stocker des quantités massives de données et d'effectuer un traitement sur puce pour transformer un déluge de données en informations utiles. »

    Démontrer le potentiel de la technologie, les chercheurs ont profité de la capacité des nanotubes de carbone à agir également comme capteurs. Sur la couche supérieure de la puce, ils ont placé plus d'un million de capteurs à base de nanotubes de carbone, qu'ils utilisaient pour détecter et classer les gaz ambiants.

    En raison de la superposition de la détection, stockage de données, et informatique, la puce a pu mesurer chacun des capteurs en parallèle, puis écrire directement dans sa mémoire, générer une bande passante énorme, dit Shulaker.

    "Un gros avantage de notre démonstration est qu'elle est compatible avec l'infrastructure silicium d'aujourd'hui, tant au niveau de la fabrication que de la conception, " dit Howe.

    "Le fait que cette stratégie soit à la fois compatible CMOS [complémentaire métal-oxyde-semiconducteur] et viable pour une variété d'applications suggère qu'il s'agit d'une étape importante dans l'avancement continu de la loi de Moore, " dit Ken Hansen, président et chef de la direction de la Semiconductor Research Corporation, qui a soutenu la recherche. "Pour soutenir la promesse de l'économie de la loi de Moore, des approches hétérogènes innovantes sont nécessaires car la mise à l'échelle dimensionnelle n'est plus suffisante. Ce travail pionnier incarne cette philosophie."

    L'équipe travaille à l'amélioration des nanotechnologies sous-jacentes, tout en explorant la nouvelle architecture informatique 3D. Pour Shulaker, la prochaine étape consiste à travailler avec la société de semi-conducteurs du Massachusetts Analog Devices pour développer de nouvelles versions du système qui tirent parti de sa capacité à effectuer la détection et le traitement des données sur la même puce.

    Donc, par exemple, les dispositifs pourraient être utilisés pour détecter des signes de maladie en détectant des composés particuliers dans l'haleine d'un patient, dit Shulaker.

    "La technologie pourrait non seulement améliorer l'informatique traditionnelle, mais cela ouvre également une toute nouvelle gamme d'applications que nous pouvons cibler, ", dit-il. "Mes étudiants étudient maintenant comment nous pouvons produire des puces qui font plus que de l'informatique."

    « Cette démonstration de l'intégration 3D de capteurs, Mémoire, et la logique est un développement exceptionnellement innovant qui exploite la technologie CMOS actuelle avec les nouvelles capacités des transistors à effet de champ à nanotubes de carbone, " dit Sam Fuller, CTO émérite d'Analog Devices, qui n'a pas participé à la recherche. "Cela a le potentiel d'être la plate-forme pour de nombreuses applications révolutionnaires à l'avenir."


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