Ein Q&A mit zwei Wissenschaftlern, die darauf abzielen, die Grenzen der Rechenleistung und Energieeffizienz der Elektronik durch das Design neuer Mikrochips zu überwinden.
Unsere Laptops und Smartphones sind kompakt und dennoch leistungsstark dank Silizium-Mikroelektronik, auch als Mikrochips oder Chips bekannt, den winzigen Gehirnen hinter der digitalen Kraft fast aller modernen Geräte.
Aber solch moderner Komfort hat seinen Preis. Bis 2030, etwa 25 % der weltweiten Energie – von denen der größte Teil durch die Verbrennung kohlenstoffreicher fossiler Brennstoffe entsteht – könnten von elektronischen Geräten verbraucht werden, wenn nichts unternommen wird, um sie energieeffizienter zu machen.
Siliziumchips stammen aus einem Design, das als CMOS bekannt ist, eine Abkürzung für komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter. Wie das Gesetz von Moore erstmals 1975 vorhersagte, nähern sich CMOS-Siliziumchips hinsichtlich Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit ihren Grenzen. Seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler auf der Suche nach neuen elektronischen Materialien, die über die Grenzen des Moore'schen Gesetzes sowie die Einschränkungen von Silizium-CMOS-Chips hinausgehen.
Jetzt entwerfen die Wissenschaftler Maurice Garcia-Sciveres und Ramamoorthy Ramesh vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des DOE neue Mikrochips, die eine bessere Leistung erbringen könnten – und weniger Energie benötigen – als Silizium. In den nächsten drei Jahren werden sie zwei der zuletzt 10 Projekte leiten ausgezeichnet Fast 54 Millionen US-Dollar vom Energieministerium zur Steigerung der Energieeffizienz in der Entwicklung und Produktion von Mikroelektronik.
Sie diskutieren ihre Projekte in diesem Q&A.
F: Was hoffen Sie in den nächsten 3 Jahren zu erreichen? Welche Bedeutung hat Ihre Arbeit?
Garcia-Sciveres: Unser Projekt – das „Co-Design und Integration von Nano-Sensoren auf CMOS“ – zielt darauf ab, die Leistung zu verbessern, indem winzige Lichtsensoren aus Nanomaterialien in eine herkömmliche integrierte CMOS-Schaltung (komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) integriert werden. (Ein Nanomaterial ist Materie, die in einem ultrakleinen Maßstab von einem Milliardstel Meter entworfen wurde.)
CMOS-Chips bestehen aus Silizium, aber wenn man sich anschaut, wie viel Strom Silizium verbraucht, wird er langsam bedeutsam – und in einem Jahrzehnt werden Siliziumchips einen großen Teil unserer Energie verbrauchen. Zum Beispiel verbraucht die für den Betrieb eines selbstfahrenden Autos benötigte Rechenleistung im Vergleich zu der Energie, die zum Betrieb des Autos benötigt wird, erheblich Energie. Wir müssen mit weniger Energie rechnen oder die Leistung ohne mehr Strom steigern, aber das ist mit Siliziumchips nicht möglich, da Silizium mit einer bestimmten Spannung betrieben werden muss – und diese physikalischen Einschränkungen kosten uns.
In unserem Projekt würden Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren – so kleine, dass sie mit bloßem Auge unsichtbar sind – als Lichtsensoren dienen. Die Nanosensoren fügen einem CMOS-Chip neue Funktionen hinzu und steigern so die Leistung.
Sensorik ist eine gute Anfangsanwendung, aber wenn sie in einen Chip integriert werden, könnten die Kohlenstoffnanoröhren auch als Transistoren oder Schalter dienen, die Daten verarbeiten. Die Integration vieler Kohlenstoffnanoröhren in einen Siliziumchip könnte zu neuartigen elektronischen Geräten führen, die kleiner und schneller sowie energieeffizienter als aktuelle Technologien sind.
Ramesh: In unserem Projekt „Co-Design von Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics“ wollen wir neue physikalische Phänomene erforschen, die zu einer deutlich höheren Energieeffizienz im Computing führen werden. Dies ist wichtig, weil wir glauben, dass sich das nächste Moore'sche Gesetz wahrscheinlich auf die Energieskala und nicht auf die Längenskala konzentrieren wird, da wir bereits an den Grenzen der Längenskalierung angelangt sind.
Etwa im Jahr 2015 machte der Energieverbrauch der Mikroelektronik nur etwa 4-5 % der gesamten Primärenergie der Welt aus. Primärenergie bedeutet typischerweise die chemische Energie, die von einem Kohle- oder Erdgaskraftwerk erzeugt wird. Dies hat typischerweise einen Wirkungsgrad der Umwandlung in Elektrizität von 35-40 %.
Unsere zunehmende Abhängigkeit von künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und IoT – oder dem Internet der Dinge, in dem alles elektronisch verbunden ist, wie unsere Verkehrssysteme, Notrufsysteme und erneuerbare Energie- und Stromnetze – wird zu einer exponentiellen Zunahme der Elektronik führen aus der Systemperspektive.
Das bedeutet, dass der Energieverbrauch der Mikroelektronik bis 2030 voraussichtlich mindestens 25 % der Primärenergie betragen wird. Daher ist es eine große Sache, die Elektronik energieeffizienter zu machen.
Für unser Projekt fragen wir: „Welche grundlegenden Materialinnovationen könnten den Energieverbrauch der Mikroelektronik deutlich senken?“ Wir betrachten ein völlig anderes Framework, das neue Physik mit einem Co-Design-Ansatz erforscht, in dem weltweit führende Experten in den Bereichen Materialphysik, Geräte- und Schaltungsdesign, Fertigung und Prüfung sowie Architektur auf Chipebene zusammenarbeiten, um dies zu erreichen eine ganzheitliche Studie über Wege zum Computing der nächsten Generation.
F: Welche neuen Anwendungen wird Ihre Arbeit ermöglichen und wie werden Sie diese neuen Fähigkeiten demonstrieren?
Garcia-Sciveres: Unsere Arbeit wird einen Einzelphotonen-Imager demonstrieren, der das Spektrum – die Wellenlänge oder Energie – jedes einzelnen Photons oder Lichtteilchens, das er erkennt, messen kann. Dies ermöglicht eine hyperspektrale Bildgebung – das heißt Bilder, bei denen jedes Pixel in viele Farben zerlegt werden kann, was viel mehr Informationen liefert. Die hyperspektrale Bildgebung kommt einem breiten Spektrum der Wissenschaft zugute, von der Kosmologie bis zur biologischen Bildgebung.
Das Dunkle-Energie-Spektroskopie-Experiment (Sensoren, die für diese Art von Beobachtungen verwendet werden, arbeiten bei Temperaturen von weniger als 1 Grad darüber Die anschließende Zusammenarbeit mit Forschern bei Intel zeigte, wie dies verwendet werden könnte, um eine neue Klasse von Logik-in-Memory-Geräten zu schaffen, die als MESO-Gerät bezeichnet werden und Spins verwenden, um logische Operationen auszuführen.
Für eines unserer Projekte innerhalb unseres Programms werden wir unser magnetoelektrisches Material verwenden, um multiferroische Elemente zu erforschen, die bei 100 Millivolt funktionieren, was zu einer deutlichen Senkung des Energieverbrauchs führt. (Ein Millivolt ist ein Tausendstel Volt.)
Unser zweites Projekt untersucht die grundlegende Physik einer Kondensatorvorrichtung, bei der eine ferroelektrische Schicht auf einen herkömmlichen Siliziumtransistor gelegt wird, um seine Energieeffizienz durch den sogenannten negativen Kapazitätseffekt zu verbessern. Unser Design würde ein mikroelektronisches Gerät ermöglichen, das sowohl Speicher- als auch Logikfunktionen ausführt – Dieser Ansatz unterscheidet sich radikal von den Chips in unseren heutigen Computern, bei denen eine Art von Chip die Logik oder Verarbeitung von Daten durchführt und ein anderer Chip Daten speichert.
Das "Das Projekt „Co-Design and Integration of Nano-Sensors on CMOS“ ist eine Zusammenarbeit zwischen Forschern des Berkeley Lab, des Sandia National Laboratory und der UC Berkeley. Zu den Co-Hauptermittlern gehören Weilun Chao, Steve Holland, Mi-Young Im, Tevye Kuykendall, Francois Leonard, Yuan Mei, Andrew Nonaka, Katerina Papadopoulou, Greg Tikhomoirov, Archana Raja, Ricardo Ruiz und Jackie Yao.
Das „Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics Project“ ist eine Zusammenarbeit zwischen Forschern des Berkeley Lab und der UC Berkeley. Zu den Co-Hauptermittlern gehören Sinéad Griffin, Lane Martin, Lavanya Ramakrishnan, Sayeef Saluhuddin, Padraic Shafer, John Shalf, Dilip Vasudevan und Jackie Yao.
