Компьютерные чипы могут получить необычный способ переключать биты: с помощью крошечной механической деформации материалов. Команда Технологического института Джорджии получила $10,6 млн от DARPA на разработку технологии MEFA Logic, где электрический сигнал вызывает движение материала, а возникшая деформация помогает управлять током в полупроводнике. Программа Fast and Curious ставит перед разработчиками цель повысить энергоэффективность логических схем как минимум в 100 раз по сравнению с современными решениями.
Почти вся современная вычислительная техника опирается на КМОП-транзисторы, которые представляют нули и единицы с помощью управляемого движения электрического заряда. DARPA считает, что дальнейшее снижение энергии переключения КМОП постепенно упирается в фундаментальные ограничения, связанные в том числе с тепловым шумом. Поэтому программа Fast and Curious ищет новые материалы, физические эффекты и архитектуры, способные сократить энергозатраты на вычисления на два-три порядка.
Разработка Georgia Tech получила название Mechanically Amplified Ferroic-Actuated Logic, или MEFA Logic. Система использует ферроические материалы, которые слегка расширяются или сжимаются при подаче напряжения. Конструкция усиливает возникшую механическую деформацию и передаёт воздействие соседнему полупроводниковому каналу. Изменение канала регулирует протекание тока и позволяет переключаться между логическими состояниями.
Фактически исследователи пытаются добавить к привычной электрической логике ещё один физический механизм передачи информации. Вместо повышения напряжения для надёжного переключения транзистора MEFA должна использовать очень небольшое движение материала. Снижение необходимого напряжения и энергии каждого переключения в перспективе позволит уменьшить тепловыделение, что особенно важно для процессоров искусственного интеллекта и вычислительных устройств с жёсткими ограничениями по питанию.
DARPA установила для программы конкретные технические ориентиры. Согласно плану испытаний, на первом этапе энергия одного логического переключения должна снизиться до десяти аттоджоулей при задержке около десяти пикосекунд. На втором этапе агентство рассчитывает получить один аттоджоуль и одну пикосекунду, а один логический элемент должен управлять более чем тремя следующими элементами. Проверка технологии постепенно усложнится от отдельных логических операций до многокомпонентных схем и коррелятора сигналов GPS.
Подобные требования важны, поскольку низкая энергия отдельного экспериментального переключателя сама по себе ещё не создаёт пригодный процессор. Логический элемент должен работать быстро, надёжно передавать результат следующей ступени схемы и сохранять преимущества после объединения множества устройств. Предыдущие исследования мультиферроических материалов уже показывали низкую энергию переключения, однако скорость, коэффициент разветвления сигнала и качество границ между материалами оставались серьёзными препятствиями.
Команда под руководством профессора Асифа Хана объединяет специалистов Georgia Tech, Университета Райса, Университета Южной Калифорнии и фабрики Space Park Foundry компании Northrop Grumman. Исследователи собираются учитывать совместимость с современным производством полупроводников с первых этапов работы, а затем перейти от отдельных устройств к более сложным интегральным схемам.
Упоминание 100-кратного повышения эффективности пока не означает, что исследователи уже изготовили процессор, потребляющий в 100 раз меньше энергии. Публичные материалы описывают исследовательскую программу и будущие контрольные показатели, а не готовый чип с подтверждённым результатом. Потребление полноценного процессора также зависит от памяти, межсоединений, тактовой системы и передачи данных, поэтому выигрыш отдельного логического элемента не переносится на весь компьютер напрямую.
DARPA рассматривает низкоэнергетическую логику как возможную основу для периферийных вычислений, спутников, автономных систем и другого оборудования, где доступная мощность ограничена. Агентство также требует работы при обычных температурах и не рассматривает криогенные технологии. Главной задачей MEFA станет доказательство возможности совместить сверхнизкую энергию переключения, высокую скорость и массовое производство в одной технологии.
