Un nuevo estudio dijo que un nuevo tipo de chip de computadora 3D que combina dos nanotecnologías de vanguardia podría aumentar drásticamente la velocidad y la eficiencia energética de los procesadores.
Los chips actuales separan la memoria (que almacena datos) y los circuitos lógicos (que procesan datos), y los datos se trasladan de un lado a otro entre estos dos componentes para llevar a cabo operaciones. Pero debido al número limitado de conexiones entre la memoria y los circuitos lógicos, esto se está convirtiendo en un importante cuello de botella, particularmente porque se espera que las computadoras manejen cantidades cada vez mayores de datos.
Anteriormente, esta limitación estaba enmascarada por los efectos de la ley de Moore, que dice que el número de transistores que pueden caber en un chip se duplica cada dos años, con un aumento en el rendimiento. Pero a medida que los fabricantes de chips alcanzan los límites físicos fundamentales sobre cómo pueden obtener pequeños transistores, esta tendencia se ha desacelerado.
El nuevo chip prototipo, diseñado por ingenieros de la Universidad de Stanford y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, aborda ambos problemas simultáneamente mediante la superposición de circuitos lógicos y de memoria uno encima del otro, en lugar de uno al lado del otro.
Esto no solo hace un uso eficiente del espacio, sino que también aumenta dramáticamente el área de superficie para las conexiones entre los componentes, dijeron los investigadores. Un circuito lógico convencional tendría un número limitado de pines en cada borde a través del cual transferir datos; por el contrario, los investigadores no se limitaron a usar bordes y pudieron empacar densos cables verticales que van desde la capa lógica a la capa de memoria.
"Con memoria y computación separadas, un chip es casi como dos ciudades muy pobladas, pero hay muy pocos puentes entre ellas", dijo a Live Science el líder del estudio, Subhasish Mitra, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en Stanford. "Ahora, no solo hemos reunido estas dos ciudades, hemos construido muchos más puentes para que el tráfico pueda ser mucho más eficiente entre ellas".
Además de esto, los investigadores utilizaron circuitos lógicos construidos a partir de transistores de nanotubos de carbono, junto con una tecnología emergente llamada memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM), que son mucho más eficientes energéticamente que las tecnologías de silicio. Esto es importante porque la enorme energía necesaria para ejecutar centros de datos constituye otro gran desafío que enfrentan las empresas de tecnología.
"Para obtener la próxima mejora de 1,000 veces en el rendimiento de la computación en términos de eficiencia energética, lo que hace que las cosas funcionen con muy poca energía y al mismo tiempo hace que las cosas funcionen realmente rápido, esta es la arquitectura que necesita", dijo Mitra.
Si bien estas dos nuevas nanotecnologías tienen ventajas inherentes sobre la tecnología convencional basada en silicio, también son parte integral de la arquitectura 3D del nuevo chip, dijeron los investigadores.
La razón por la que los chips actuales son 2D es porque la fabricación de transistores de silicio en un chip requiere temperaturas de más de 1,800 grados Fahrenheit (1,000 grados Celsius), lo que hace que sea imposible colocar los circuitos de silicio uno encima del otro sin dañar la capa inferior, dijeron los investigadores .
Pero tanto los transistores de nanotubos de carbono como la RRAM se fabrican a menos de 392 grados F (200 grados C), por lo que pueden colocarse fácilmente sobre el silicio sin dañar los circuitos subyacentes. Dijeron que esto también hace que el enfoque de los investigadores sea compatible con la tecnología actual de fabricación de chips.
Apilar muchas capas una encima de la otra podría provocar un sobrecalentamiento, dijo Mitra, porque las capas superiores estarán lejos de los disipadores de calor en la base del chip. Pero, agregó, ese problema debería ser relativamente sencillo de resolver, y la mayor eficiencia energética de la nueva tecnología significa que se genera menos calor en primer lugar.
Para demostrar los beneficios de su diseño, el equipo construyó un prototipo de detector de gases al agregar otra capa de sensores basados en nanotubos de carbono en la parte superior del chip. La integración vertical significaba que cada uno de estos sensores estaba conectado directamente a una celda RRAM, lo que aumentaba drásticamente la velocidad a la que se podían procesar los datos.
Luego, estos datos se transfirieron a la capa lógica, que estaba implementando un algoritmo de aprendizaje automático que le permitía distinguir entre los vapores de jugo de limón, vodka y cerveza.
Sin embargo, esto fue solo una demostración, dijo Mitra, y el chip es muy versátil y particularmente adecuado para el tipo de enfoques de redes neuronales profundas y pesadas en datos que sustentan la tecnología de inteligencia artificial actual.
Jan Rabaey, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California en Berkeley, que no participó en la investigación, dijo que está de acuerdo.
"Estas estructuras pueden ser particularmente adecuadas para paradigmas computacionales alternativos basados en el aprendizaje, tales como sistemas inspirados en el cerebro y redes neuronales profundas, y el enfoque presentado por los autores es definitivamente un gran primer paso en esa dirección", dijo a MIT News.
