Νέα προσαρμοστική τεχνολογία μειώνει τον αριθμό των απαιτούμενων τρανζίστορ στους επεξεργαστές κατά 85%

Μια ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας της Βιέννης εξέλιξε την πιο θεμελιώδη μονάδα της πληροφορικής: το τρανζίστορ. Αξιοποιώντας το στοιχείο γερμάνιο (Ge), ανέπτυξαν ένα νέο, προσαρμοστικό σχέδιο τρανζίστορ που μπορεί να αλλάζει τη διαμόρφωσή του σε πραγματικό χρόνο, ανάλογα με τις απαιτήσεις του φόρτου εργασίας.

Τι εφαρμογές έχει αυτό θα ρωτήσετε; Τεράστιες, καθώς θα μπορούσε να επιτρέψει τη χρήση έως και 85% λιγότερων τρανζίστορ σε σχέση με τις τρέχουσες προσεγγίσεις. Επιπλέον, με λιγότερα τρανζίστορ να λειτουργούν για την ίδια εργασία, η κατανάλωση ενέργειας και οι θερμοκρασίες μειώνονται, γεγονός που με τη σειρά του επιτρέπει υψηλότερη κλιμάκωση συχνότητας και απόδοσης.

Τα τρανζίστορ - και ιδίως τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) - είναι οι θεμελιώδεις μονάδες του σχεδιασμού ημιαγωγών: τρία στοιχεία που λειτουργούν σε αρμονία και ξεκλειδώνουν τις τεχνολογικές μας εμπειρίες. Όπως οι υδατοφράκτες ελέγχουν αν το νερό ρέει ή όχι, έτσι και τα τρανζίστορ ελέγχουν αν το ρεύμα κάνει το ταξίδι του από την πηγή (το πρώτο στοιχείο) προς την αποστράγγιση (το δεύτερο στοιχείο).

Ωστόσο, το τρανζίστορ από μόνο του δεν είναι πολύ έξυπνο- στην πραγματικότητα, θα είχε καταστεί σχεδόν άχρηστο αν δεν υπήρχαν οι είσοδοι του ηλεκτροδίου ελέγχου του. Επεκτείνοντας την αναλογία με το νερό, ένα φράγμα είναι εξαιρετικά χρήσιμο μόνο αν μπορείτε να ελέγξετε αν το νερό ρέει μέσα από αυτό ή όχι. Έτσι χρειαζόμαστε ένα τρίτο θεμελιώδες στοιχείο - την πύλη του τρανζίστορ. Αυτή η τριμερής απλότητα των τρανζίστορ είναι που μας επιτρέπει να έχουμε δισεκατομμύρια από αυτά στριμωγμένα στα τελευταία τσιπ υψηλής απόδοσης.

Η απλότητα του τρανζίστορ έχει μια επιφύλαξη: τη λειτουργικότητα. Ενώ τα τρανζίστορ μπορούν να αναλάβουν πολλές διαφορετικές λειτουργίες, οι λειτουργίες αυτές είναι, από μόνες τους, απλές. Από την προσθήκη πολλών μικρών, απλών τρανζίστορ μαζί (σε ολοκληρωμένα κυκλώματα) μπορούν να ξεκλειδωθούν υψηλότερης τάξης επιδόσεις και πιο σύνθετοι φόρτοι εργασίας. Ένας συγκεκριμένος αριθμός τρανζίστορ, τοποθετημένων με συγκεκριμένο τρόπο, μπορεί να μετατραπεί σε έναν πυρήνα Zen 3. Μπορούν επίσης να μετατραπούν σε έναν πυρήνα CUDA της Nvidia ή σε πρόσθετα μπλοκ κρυφής μνήμης.

Θυμάστε τη στρατηγική tick-tock (και αργότερα tock-tock-tock) της Intel; Με αυτούς τους όρους, ένα tock (αλλαγή μικροαρχιτεκτονικής) αντιστοιχεί ουσιαστικά στις βελτιώσεις επιδόσεων που μπορούν να ξεκλειδωθούν με την αναδιάταξη και τον επανασχεδιασμό μπλοκ τρανζίστορ. Ένα tick (αλλαγή στον κόμβο κατασκευής) αυξάνει την ποσότητα των τρανζίστορ που είναι διαθέσιμα στους μηχανικούς για να τα χρησιμοποιήσουν σε ολοένα και πιο σύνθετα κυκλώματα. Ο θάνατος της στρατηγικής tick-tock της Intel δείχνει πώς οι εξελίξεις στην πυκνότητα των τρανζίστορ γίνονται όλο και πιο δύσκολο να επιτευχθούν. Και ενώ η έρευνα υλικών και σχεδιασμού έχει επινοήσει πολλούς τρόπους βελτίωσης των τρανζίστορ, ο θεμελιώδης σχεδιασμός τους παραμένει αμετάβλητος. Και όπου υπάρχει έλλειψη αλλαγής, υπάρχει και ευκαιρία: ποια οφέλη θα μπορούσαν να προκύψουν από τον επανασχεδιασμό του τρανζίστορ;

Η σμίκρυνση των τρανζίστορ αποδίδει φθίνουσες αποδόσεις εδώ και πολύ καιρό. (Εικόνα: Lightelligence)
 

"Οι αριθμητικές πράξεις, οι οποίες προηγουμένως απαιτούσαν 160 τρανζίστορ, είναι δυνατές με 24 τρανζίστορ λόγω αυτής της αυξημένης προσαρμοστικότητας. Με αυτόν τον τρόπο, η ταχύτητα και η ενεργειακή απόδοση των κυκλωμάτων μπορούν επίσης να αυξηθούν σημαντικά", εξήγησε ο καθηγητής Walter Weber, μέλος της ομάδας. Με άλλα λόγια, τα νέα προσαρμοστικά τρανζίστορ μπορούν να μειώσουν τον αριθμό των απαιτούμενων τρανζίστορ για έναν δεδομένο φόρτο εργασίας έως και 85%. Επιπλέον, με λιγότερα τρανζίστορ να λειτουργούν για το ίδιο έργο, η κατανάλωση ενέργειας, οι θερμοκρασίες και τα σημεία διαρροής μειώνονται σε όλο το σχεδιασμό - γεγονός που με τη σειρά του θα επιτρέψει υψηλότερη κλιμάκωση συχνότητας και απόδοση.

"Συνδέουμε δύο ηλεκτρόδια με ένα εξαιρετικά λεπτό σύρμα από γερμάνιο, μέσω εξαιρετικά καθαρών διεπαφών υψηλής ποιότητας", εξηγεί ο Dr. Masiar Sistani, μέλος της ερευνητικής ομάδας. "Πάνω από το τμήμα γερμανίου, τοποθετούμε ένα ηλεκτρόδιο πύλης όπως αυτά που συναντάμε στα συμβατικά τρανζίστορ. Αυτό που είναι καθοριστικό είναι ότι το τρανζίστορ μας διαθέτει ένα επιπλέον ηλεκτρόδιο ελέγχου που τοποθετείται στις διεπιφάνειες μεταξύ γερμανίου και μετάλλου. Μπορεί να προγραμματίσει δυναμικά τη λειτουργία του τρανζίστορ".

Η ερευνητική ομάδα: Walter Weber, Masiar Sistani και Raphael Böckle (από αριστερά προς τα δεξιά) (Eικόνα: Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Βιέννης)

Αυτό το πρόσθετο ηλεκτρόδιο ελέγχου (η πύλη προγραμματισμού) ουσιαστικά επιτρέπει στους ερευνητές να μεταβάλλουν τον τρόπο συμπεριφοράς των τρανζίστορ. Τα τυπικά τρανζίστορ με ένα ηλεκτρόδιο μεταφέρουν ρεύμα μέσω ελεύθερα κινούμενων ηλεκτρονίων (που φέρουν αρνητικό φορτίο) ή αφαιρώντας ένα ηλεκτρόνιο από μεμονωμένα άτομα, καθιστώντας τα θετικά φορτισμένα. Η προσθήκη της γέφυρας γερμανίου επιτρέπει στο νέο σχεδιασμό τρανζίστορ να μπορεί να εναλλάσσεται απρόσκοπτα μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων μεταφοράς.

"Το γεγονός ότι χρησιμοποιούμε γερμάνιο είναι ένα αποφασιστικό πλεονέκτημα", εξηγεί ο Δρ Sistani. "Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το γερμάνιο έχει μια πολύ ιδιαίτερη ηλεκτρονική δομή: όταν εφαρμόζετε τάση, η ροή ρεύματος αρχικά αυξάνεται, όπως θα περιμένατε. Μετά από ένα ορισμένο όριο, ωστόσο, η ροή ρεύματος μειώνεται και πάλι - αυτό ονομάζεται αρνητική διαφορική αντίσταση. Με τη βοήθεια του ηλεκτροδίου ελέγχου, μπορούμε να διαμορφώσουμε σε ποια τάση βρίσκεται αυτό το κατώφλι. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα νέους βαθμούς ελευθερίας που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να δώσουμε στο τρανζίστορ ακριβώς τις ιδιότητες που χρειαζόμαστε αυτή τη στιγμή".

Παραδόξως, η τεχνολογία υπόσχεται να είναι ταχύτατα επεκτάσιμη και εφαρμόσιμη: κανένα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται δεν είναι καινούργιο στη βιομηχανία ημιαγωγών και δεν θα απαιτηθούν νέα ειδικά κατασκευασμένα εργαλεία. Αλλά, φυσικά, οποιαδήποτε αρχική υιοθέτηση θα ήταν περιορισμένη και οι ερευνητές πιστεύουν ότι το προσαρμοστικό τους τρανζίστορ θα μπορούσε να ενσωματωθεί ως προσθήκη σε ορισμένα σχέδια ημιαγωγών για να αξιοποιηθεί όταν χρειαστεί.