Los chips híbridos Memristor AI podrían escalar

Al combinar dispositivos atómicamente delgados con microchips convencionales, los científicos han creado una electrónica híbrida que imita el cerebro y que puede ayudar a implementar sistemas de inteligencia artificial de redes neuronales de una manera mucho más eficiente energéticamente que la electrónica estándar, según un nuevo estudio.

A medida que la electrónica se vuelve cada vez más pequeña, los científicos están investigando materiales 2D atómicamente delgados para la electrónica de próxima generación. Por ejemplo, el grafeno consta de capas individuales de átomos de carbono y el disulfuro de molibdeno está formado por una lámina de átomos de molibdeno intercalada entre dos capas de átomos de azufre.

"Los materiales bidimensionales no solo tienen un rendimiento eléctrico de última generación, sino que también tienen propiedades térmicas, mecánicas, ópticas y químicas sobresalientes, lo que podría resultar en aplicaciones novedosas que ahora no existen", dice el autor principal del estudio, Mario. Lanza, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah, en Thuwal, Arabia Saudita.

"La experiencia de la mayoría de las personas es en semiconductores. Somos expertos en aisladores".—Mario Lanza, Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah

Múltiples equipos de investigación han desarrollado prototipos de dispositivos basados ​​en materiales 2D. Sin embargo, ninguno ha mostrado la capacidad de calcular o almacenar datos. Además, su fabricación se basó principalmente en métodos de síntesis y procesamiento que no son compatibles con las técnicas estándar de la industria. Además, la manipulación de materiales 2D de una sola capa es un desafío porque pueden ocurrir defectos al transferirlos de las superficies en las que se cultivan a sustratos más útiles para las aplicaciones. Estos defectos reducen la consistencia y el rendimiento del dispositivo.

Ahora, los científicos han creado lo que dicen es el primer microchip densamente integrado fabricado con materiales 2D, todos utilizando procesos compatibles con la industria de los semiconductores. "No solo logramos excelentes propiedades, sino también un alto rendimiento y una baja variabilidad", dice Lanza.

En el nuevo estudio, los investigadores experimentaron con nitruro de boro hexagonal. Esta cerámica atómicamente delgada a menudo encuentra uso como material aislante en electrónica 2D. "La experiencia de la mayoría de la gente está en los semiconductores", dice Lanza. "Somos expertos en aisladores."

Los científicos querían superar una serie de desafíos a los que se enfrentaban los dispositivos anteriores basados ​​en materiales 2D. Por ejemplo, en lugar de intentar fabricar transistores a partir de materiales 2D, Lanza y sus colegas intentaron crear memristores. Los memristores, o resistencias de memoria, son esencialmente interruptores que pueden recordar a qué estado eléctrico se cambiaron después de apagarlos.

Este microchip híbrido 2D/CMOS se muestra prometedor para aplicaciones memristivas. Mario Lanza

"La mayoría de los grupos se centran en los transistores, probablemente porque son los componentes principales de la electrónica", dice Lanza. "En cambio, nos enfocamos en los memristores, que actualmente tienen un tamaño de mercado mucho más pequeño pero también tienen un tremendo potencial para el almacenamiento de datos, computación, encriptación y comunicación".

Los científicos de todo el mundo esperan utilizar memristores y componentes similares para construir dispositivos electrónicos que, al igual que las neuronas, puedan calcular y almacenar datos. Estos dispositivos de memoria pueden reducir en gran medida la energía y el tiempo perdidos cuando los microchips convencionales intercambian datos entre los procesadores y la memoria. Tal hardware neuromórfico inspirado en el cerebro también puede resultar ideal para implementar redes neuronales. Estos sistemas de IA encuentran cada vez más uso en aplicaciones como el soporte de vehículos autónomos y el análisis de escaneos médicos.

Los memristores son "dispositivos simples que son tolerantes a defectos", dice Lanza. Por el contrario, los transistores "requieren un material cristalino perfecto", explica. Lanza señala que los memristores tampoco tienen otros problemas que los transistores, como la resistencia de contacto, es decir, la resistencia eléctrica en sus puntos de contacto con otros componentes.

Además, donde la mayoría del trabajo anterior se basaba en materiales 2D que tenían solo una o dos capas de espesor, Lanza y sus colegas usaron una hoja de material 2D que constaba de aproximadamente 18 capas que tenían un espesor total de unos 6 nanómetros. "Este material más grueso no es tan fácil de romper", dice Lanza.

Además, en lugar de construir dispositivos 2D sobre un sustrato en blanco como una oblea de sílice-silicio convencional, los investigadores fabricaron sus dispositivos 2D sobre microchips CMOS estándar. Los microchips pueden ayudar a controlar la corriente eléctrica y la conmutación en los memristores, lo que ayudó a crear dispositivos 2D exitosos.

Los investigadores que fabrican transistores para computación suelen utilizar los llamados pasos de inicio de línea. En contraste, Lanza y sus colegas construyeron sus memristores en las interconexiones de final de línea que vinculan dispositivos en obleas. Los memristores normalmente se integran en los microchips de esta manera, "con la diferencia de que usamos materiales 2D en lugar de otros materiales", dice Lanza.

Los investigadores transfirieron una hoja de múltiples capas de nitruro de boro hexagonal a las interconexiones finales de la línea de microchips de silicio de 4 centímetros cuadrados que contenían transistores CMOS del nodo de 180 nanómetros en una oblea de silicio de 200 milímetros. A continuación, fabricaron circuitos a partir de esta combinación grabando el nitruro de boro hexagonal y modelando y depositando electrodos en la parte superior. Cada uno de estos circuitos constaba de matrices de celdas de barras cruzadas de 5 por 5, cada una compuesta por un transistor y un memristor.

Mientras que la mayoría de los dispositivos fabricados con materiales 2D tienen un tamaño de más de 1 micrómetro cuadrado, los memristores del nuevo estudio tienen solo 0,053 µm2, señalan los investigadores. Estos memristores "podrían hacerse mucho más pequeños muy fácilmente si se dispusiera de microchips más avanzados", dice Lanza.

Los transistores CMOS ayudaron a controlar las corrientes eléctricas a través de los memristores 2D. Esto ayudó a lograr resistencias de memristor de aproximadamente 5 millones de ciclos de conmutación, aproximadamente a la par con las memorias de cambio de fase y RAM resistiva existentes. Sin los transistores CMOS, los memristores soportaron solo unos 100 ciclos.

Los investigadores demostraron que podían realizar operaciones informáticas en memoria con su dispositivo, construyendo puertas lógicas "o" e "implicar". Señalan que podrían ejecutar operaciones más sofisticadas modificando las interconexiones entre los dispositivos.

Además, los científicos señalan que la conductividad eléctrica del microchip híbrido podría ajustarse dinámicamente a diferentes niveles mediante la aplicación de pulsos eléctricos, una propiedad llamada plasticidad dependiente de la sincronización de picos. Esta característica sugiere que el dispositivo podría ayudar a implementar redes neuronales de picos que imiten más al cerebro humano que las redes neuronales convencionales.

Los componentes clave en un "pico" de red neuronal con picos, es decir, generan una señal de salida, solo después de recibir una cierta cantidad de señales de entrada durante un tiempo determinado. Dado que las redes neuronales de picos rara vez disparan picos, mezclan muchos menos datos que las redes neuronales artificiales típicas y, en principio, requieren mucha menos energía y ancho de banda de comunicación. La electrónica convencional no es adecuada para ejecutar redes neuronales con picos, lo que genera una necesidad del mercado de desarrollar nuevo hardware neuromórfico para ejecutarlas, señalan los científicos.

Como prueba de principio, los investigadores crearon una red neuronal de picos utilizando su dispositivo que tenía 784 neuronas de entrada, una capa excitadora de 400 neuronas y una capa inhibidora de 400 neuronas. Cuando se probó con una tarea estándar: clasificar las imágenes de la base de datos de dígitos escritos a mano del Instituto Nacional Modificado de Estándares y Tecnología (MNIST, por sus siglas en inglés), este dispositivo simple logró, sin embargo, una precisión de aproximadamente el 90 por ciento.

Los científicos señalan que sus dispositivos necesitan alrededor de 1,4 a 5 voltios para la conmutación, que es bajo en comparación con otros prototipos en el campo de los materiales 2D, que pueden requerir más de 20 V. Aún así, señalan que este voltaje es más alto que el utilizado en el Nodo CMOS de 180 nm. Sin embargo, sugieren que es posible que este voltaje no impida el desarrollo de esta tecnología, ya que hay muchos microchips comerciales que funcionan con voltajes mucho más altos; por ejemplo, las memorias Flash 3D-NAND de última generación están programadas a aproximadamente 20 V, y todos los microchips CMOS bipolares para aplicaciones automotrices requieren hasta 40 V.

Previamente, los investigadores de IBM experimentaron con los beneficios de colocar materiales 2D en un microchip. En 2011, fabricaron un circuito que contenía un transistor de grafeno y dos inductores, y en 2014 desarrollaron un circuito más grande con tres transistores de grafeno, cuatro inductores, tres condensadores y dos resistencias, dice Lanza. Sin embargo, IBM aparentemente abandonó este enfoque, "probablemente debido a las dificultades de transferir un material 2D monocapa", dice. En contraste, Lanza y sus colegas usaron un material más duradero de 18 capas de espesor. Él predice que "ahora muchos otros científicos crearán sus prototipos en microchips funcionales en lugar de sustratos de SiO2 no funcionales, lo que provocará muchos más hallazgos".

Lanza también señala que los materiales 2D normalmente son competencia de los científicos de materiales, no de los ingenieros de microchips. "Para hacer el experimento que hicimos, es necesario diseñar un microchip usando un software específico y luego hacer una oblea multiproyecto o, como en nuestro caso, una oblea completa", dice. "Si usas la tecnología CMOS del nodo de 180 nm, como en nuestro caso, el primero cuesta US $ 25 000, el segundo cuesta US $ 100 000. Muchos grupos de investigación no solo no pueden diseñar esto, ni siquiera pueden pagarlo. En nuestro caso, mis colegas de la Universidad de Tsinghua proporcionaron las obleas y yo integré el material".

Lanza señala que su investigación ya ha atraído el interés de las principales empresas de semiconductores. Los científicos ahora pretenden ir más allá de los microchips de silicio de 4 cm2 "para hacer obleas completas de 300 mm", dice Lanza.

Los científicos detallaron sus hallazgos el 27 de marzo en la revista Nature.

Actualizado el 6 de abril de 2023