När inbäddad intelligens letar sig in i allt fler områden i våra liv, områden som sträcker sig från autonom körning till personlig medicin genererar enorma mängder data. Men precis som dataflödet når massiva proportioner, datorchipsets förmåga att bearbeta den till användbar information stannar.

Nu, forskare vid Stanford University och MIT har byggt ett nytt chip för att övervinna detta hinder. Resultaten publiceras idag i tidningen Natur , av huvudförfattaren Max Shulaker, en biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT. Shulaker började arbetet som doktorand vid sidan av H.-S. Philip Wong och hans rådgivare Subhasish Mitra, professorer i elektroteknik och datavetenskap vid Stanford. I teamet fanns också professorerna Roger Howe och Krishna Saraswat, även från Stanford.

Datorer består idag av olika chips som är kullerstensbelagda. Det finns ett chip för databehandling och ett separat chip för datalagring, och förbindelserna mellan de två är begränsade. När applikationer analyserar alltmer massiva datamängder, den begränsade hastighet med vilken data kan flyttas mellan olika marker skapar en kritisk kommunikation "flaskhals". Och med begränsad fastighet på chipet, det finns inte tillräckligt med utrymme för att placera dem sida vid sida, även om de har miniatyriserats (ett fenomen som kallas Moores lag).

För att göra saken värre, de underliggande enheterna, transistorer gjorda av kisel, förbättras inte längre med den historiska takt som de har gjort i årtionden.

Det nya prototypchippet är en radikal förändring från dagens chips. Den använder flera nanotekniker, tillsammans med en ny datorarkitektur, att vända båda dessa trender.

Istället för att förlita sig på kiselbaserade enheter, chipet använder kolnanorör, som är ark med 2-D grafen formad till nanocylindrar, och resistiva slumpmässiga åtkomstminne (RRAM) -celler, en typ av icke flyktigt minne som fungerar genom att ändra motståndet hos ett fast dielektriskt material. Forskarna integrerade över 1 miljon RRAM-celler och 2 miljoner kol-nanorör-fälteffekttransistorer, gör det mest komplexa nanoelektroniska systemet som någonsin gjorts med framväxande nanotekniker.

RRAM- och kolnanorören är byggda vertikalt över varandra, gör en ny, tät 3D-datorarkitektur med sammanflätade lager av logik och minne. Genom att sätta in ultradense trådar mellan dessa lager, denna 3D-arkitektur lovar att ta itu med flaskhalsen för kommunikation.

Dock, en sådan arkitektur är inte möjlig med befintlig kiselbaserad teknik, enligt tidningens huvudförfattare, Max Shulaker, som är kärnmedlem i MIT:s Microsystems Technology Laboratories. "Kretsar idag är 2-D, eftersom byggandet av konventionella kiseltransistorer innebär extremt höga temperaturer på över 1, 000 grader Celsius, "säger Shulaker." Om du sedan bygger ett andra lager av kiselkretsar ovanpå, att hög temperatur kommer att skada kretsarnas bottenlager. "

Nyckeln i detta arbete är att kolnanorörkretsar och RRAM -minne kan tillverkas vid mycket lägre temperaturer, under 200 C. "Detta innebär att de kan byggas upp i lager utan att skada kretsarna nedanför, "Säger Shulaker.

Detta ger flera samtidiga fördelar för framtida datorsystem. "Enheterna är bättre:Logik gjord av kolnanorör kan vara en storleksordning mer energieffektiv jämfört med dagens logik gjord av kisel, och på liknande sätt, RRAM kan vara tätare, snabbare, och mer energieffektiv jämfört med DRAM, "Wong säger, med hänvisning till ett konventionellt minne som kallas dynamiskt slumpmässigt åtkomstminne.

"Förutom förbättrade enheter, 3D-integration kan ta upp en annan viktig faktor i system:sammankopplingar inom och mellan chips, "Tillägger Saraswat.

"Den nya 3D-datorarkitekturen ger en tät och finkornig integration av beräkning och datalagring, drastiskt övervinna flaskhalsen från att flytta data mellan chips, "Säger Mitra." Som ett resultat, chipet kan lagra massiva mängder data och utföra on-chip-bearbetning för att omvandla en dataflod till användbar information. "

För att demonstrera teknikens potential, forskarna utnyttjade kolnanorörens förmåga att även fungera som sensorer. På det översta lagret av chipet placerade de över 1 miljon kol-nanorörbaserade sensorer, som de använde för att upptäcka och klassificera omgivande gaser.

På grund av skiktning av avkänning, datalagring, och datorer, chipet kunde mäta var och en av sensorerna parallellt, och sedan skriva direkt i minnet, genererar enorm bandbredd, Säger Shulaker.

"En stor fördel med vår demonstration är att den är kompatibel med dagens kiselinfrastruktur, både när det gäller tillverkning och design, säger Howe.

"Det faktum att denna strategi är både CMOS [komplementär metalloxid-halvledare] kompatibel och livskraftig för en mängd olika tillämpningar tyder på att det är ett viktigt steg i den fortsatta utvecklingen av Moores lag, "säger Ken Hansen, VD och koncernchef för Semiconductor Research Corporation, som stödde forskningen. "För att hålla löftet om Moores lagekonomi, innovativa heterogena tillvägagångssätt krävs eftersom dimensionell skalning inte längre är tillräcklig. Detta banbrytande arbete förkroppsligar den filosofin. "

Teamet arbetar för att förbättra de underliggande nanoteknikerna, medan du utforskar den nya 3D-datorarkitekturen. För Shulaker, nästa steg är att arbeta med Massachusetts-baserade halvledarföretag Analog Devices för att utveckla nya versioner av systemet som utnyttjar dess förmåga att utföra avkänning och databehandling på samma chip.

Så, till exempel, enheterna kan användas för att upptäcka tecken på sjukdom genom att känna av särskilda föreningar i patientens andetag, säger Shulaker.

"Tekniken kunde inte bara förbättra den traditionella datorn, men det öppnar också upp ett helt nytt sortiment av applikationer som vi kan rikta in oss på, "säger han." Mina elever undersöker nu hur vi kan producera chips som gör mer än bara datorer. "

"Denna demonstration av 3D-integration av sensorer, minne, och logik är en exceptionellt innovativ utveckling som utnyttjar den nuvarande CMOS-tekniken med de nya kapaciteterna för kol-nanorör-fälteffekttransistorer, säger Sam Fuller, CTO emeritus för analoga enheter, som inte var inblandad i forskningen. "Detta har potential att bli plattformen för många revolutionära applikationer i framtiden."