Analog und digital: das Beste aus beiden Welten in einer Energie

Wir leben in einer analogen Welt des kontinuierlichen Informationsflusses, der von unserem Gehirn gleichzeitig verarbeitet und gespeichert wird, aber unsere Geräte verarbeiten Informationen digital in Form eines diskreten Binärcodes und zerlegen die Informationen in kleine Teile (oder Häppchen). Forscher der EPFL haben eine bahnbrechende Technologie enthüllt, die das Potenzial der kontinuierlichen analogen Verarbeitung mit der Präzision digitaler Geräte kombiniert. Durch die nahtlose Integration von ultradünnen, zweidimensionalen Halbleitern mit ferroelektrischen Materialien enthüllt die in Nature Electronics veröffentlichte Forschung einen neuen Weg zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Hinzufügung neuer Funktionalitäten in der Datenverarbeitung. Die neue Konfiguration vereint traditionelle digitale Logik mit gehirnähnlichen analogen Operationen.

Schnellere und effizientere Elektronik

Die Innovation des Nanoelectronics Device Laboratory (Nanolab) in Zusammenarbeit mit Microsystems Laboratory dreht sich um eine einzigartige Kombination von Materialien, die zu gehirninspirierten Funktionen und fortschrittlichen elektronischen Schaltern führt, einschließlich des herausragenden Tunnel-Feldeffekttransistors (TFET) mit negativer Kapazität. In der Welt der Elektronik kann ein Transistor oder „Schalter“ mit einem Lichtschalter verglichen werden, der bestimmt, ob Strom fließt (ein) oder nicht (aus). Dies sind die berühmten Einsen und Nullen der binären Computersprache, und dieser einfache Vorgang des Ein- und Ausschaltens ist für nahezu jede Funktion unserer elektronischen Geräte von wesentlicher Bedeutung, von der Informationsverarbeitung bis zur Speicherspeicherung. Der TFET ist ein spezieller Schaltertyp, der für eine energiebewusste Zukunft konzipiert wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren, die zum Einschalten eine bestimmte Mindestspannung benötigen, können TFETs mit deutlich niedrigeren Spannungen betrieben werden. Durch dieses optimierte Design verbrauchen sie beim Schalten deutlich weniger Energie und reduzieren so den Gesamtstromverbrauch der Geräte, in die sie integriert sind, deutlich.

Professor Adrian Ionescu, Leiter von Nanolab, erklärt: „Unsere Bemühungen stellen einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Elektronik dar, da sie frühere Leistungsmaßstäbe übertroffen haben, und werden durch die herausragenden Fähigkeiten des Wolframdiselenid/Zinndiselenid-TFET mit negativer Kapazität und des… veranschaulicht Möglichkeit, synaptische Neuronenfunktionen innerhalb derselben Technologie zu erzeugen.“

Sadegh Kamaei, Doktorand an der EPFL, hat erstmals das Potenzial von 2D-Halbleitern und ferroelektrischen Materialien in einem vollständig kointegrierten elektronischen System genutzt. Die 2D-Halbleiter können für hocheffiziente digitale Prozessoren verwendet werden, während das ferroelektrische Material die Möglichkeit bietet, Speicher kontinuierlich zu verarbeiten und gleichzeitig zu speichern. Die Kombination der beiden Materialien bietet die Möglichkeit, das Beste aus den digitalen und analogen Kapazitäten beider Materialien zu nutzen. Jetzt ist der Lichtschalter aus unserer obigen Analogie nicht nur energieeffizienter, sondern das Licht, das er einschaltet, kann auch noch heller brennen. Kamaei fügte hinzu: „Die Arbeit mit 2D-Halbleitern und deren Integration in ferroelektrische Materialien war eine Herausforderung, aber auch äußerst lohnend. Die potenziellen Anwendungen unserer Erkenntnisse könnten die Art und Weise, wie wir elektronische Geräte in Zukunft betrachten und mit ihnen interagieren, neu definieren.“

Eine Mischung aus traditioneller Logik und neuromorphen Schaltkreisen

Darüber hinaus befasst sich die Forschung mit der Schaffung von Schaltern, die biologischen Synapsen ähneln – den komplizierten Verbindungen zwischen Gehirnzellen – für neuromorphes Computing. „Die Forschung stellt die allererste gemeinsame Integration von von Neumann-Logikschaltungen und neuromorphen Funktionalitäten dar und stellt einen spannenden Weg zur Schaffung innovativer Computerarchitekturen dar, die sich durch einen außergewöhnlich geringen Stromverbrauch und bisher unerforschte Möglichkeiten zum Aufbau neuromorpher Funktionen in Kombination mit digitaler Informationsverarbeitung auszeichnen.“ „, fügt Ionescu hinzu.

Solche Fortschritte deuten auf elektronische Geräte hin, die parallel zum menschlichen Gehirn funktionieren und Rechengeschwindigkeit mit der Verarbeitung von Informationen auf eine Weise verbinden, die eher der menschlichen Wahrnehmung entspricht. Beispielsweise könnten neuromorphe Systeme bei Aufgaben übertreffen, mit denen herkömmliche Computer zu kämpfen haben, etwa bei der Mustererkennung, der Verarbeitung sensorischer Daten oder sogar bei bestimmten Arten des Lernens. Diese Mischung aus traditioneller Logik und neuromorphen Schaltkreisen weist auf einen transformativen Wandel mit weitreichenden Auswirkungen hin. In der Zukunft könnte es durchaus Geräte geben, die nicht nur intelligenter und schneller, sondern auch exponentiell energieeffizienter sind.