Una sessione di domande e risposte con due scienziati che mirano a superare i limiti della potenza di calcolo e dell'efficienza energetica dell'elettronica progettando nuovi microchip.
I nostri laptop e smartphone sono compatti ma potenti grazie alla microelettronica al silicio, nota anche come microchip o chip, i minuscoli cervelli dietro i muscoli digitali di quasi tutti i dispositivi moderni.
Ma una tale comodità moderna ha un costo. Entro il 2030, circa il 25% dell'energia mondiale – la maggior parte dei quali è prodotta dalla combustione di combustibili fossili ricchi di carbonio – potrebbero essere consumati dai dispositivi elettronici se non si fa nulla per renderli più efficienti dal punto di vista energetico.
I chip di silicio provengono da un progetto noto come CMOS, abbreviazione di semiconduttore di ossido di metallo complementare. Come previsto per la prima volta dalla legge di Moore nel 1975, i chip di silicio CMOS si stanno avvicinando ai limiti di miniaturizzazione e prestazioni. Per decenni, gli scienziati sono alla ricerca di nuovi materiali elettronici che vadano oltre i limiti della legge di Moore, nonché i vincoli dei chip CMOS di silicio.
Ora, gli scienziati Maurice Garcia-Sciveres e Ramamoorthy Ramesh del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE stanno progettando nuovi microchip che potrebbero funzionare meglio - e richiedere meno energia - del silicio. Nei prossimi tre anni, guideranno recentemente due dei 10 progetti assegnato quasi 54 milioni di dollari dal Dipartimento dell'Energia per aumentare l'efficienza energetica nella progettazione e produzione di microelettronica.
Discutono dei loro progetti in questa sessione di domande e risposte.
D: Cosa speri di ottenere nei prossimi 3 anni? Qual è il significato del tuo lavoro?
Garcia-Sciveres: Il nostro progetto – il “Co-Design and Integration of Nano-Sensors on CMOS” – mira a migliorare le prestazioni integrando minuscoli sensori di luce realizzati con nanomateriali in un circuito integrato convenzionale CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). (Un nanomateriale è materia progettata su una scala ultrapiccola di un miliardesimo di metro.)
I chip CMOS sono fatti di silicio, ma se guardi quanta energia consuma il silicio, sta iniziando a essere significativa e tra un decennio i chip di silicio consumeranno una grande parte della nostra energia. Ad esempio, l'elaborazione necessaria per far funzionare un'auto a guida autonoma consuma molta energia rispetto all'energia necessaria per far funzionare l'auto. Dobbiamo calcolare con meno energia o aumentare le prestazioni senza più potenza, ma non è possibile farlo con i chip di silicio perché il silicio deve funzionare a una certa tensione e queste limitazioni fisiche ci stanno costando.
Nel nostro progetto, i nanomateriali come i nanotubi di carbonio – dispositivi così piccoli da essere invisibili ad occhio nudo – servirebbero da sensori di luce. I nanosensori aggiungono nuove funzionalità a un chip CMOS, aumentando le prestazioni.
Il rilevamento è una buona applicazione iniziale, ma quando integrati in un chip, i nanotubi di carbonio potrebbero anche fungere da transistor o interruttori che elaborano i dati. L'integrazione di molti nanotubi di carbonio in un chip di silicio potrebbe portare a nuovi tipi di dispositivi elettronici più piccoli e veloci, nonché più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie attuali.
Ramesh: Nel nostro progetto, "Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics", intendiamo esplorare nuovi fenomeni fisici che porteranno a un'efficienza energetica significativamente maggiore nell'informatica. Questo è importante perché riteniamo che la prossima Legge di Moore sarà probabilmente incentrata sulla scala dell'energia e non sulla scala delle lunghezze, poiché siamo già ai limiti del ridimensionamento della lunghezza.
Intorno al 2015, il consumo di energia della microelettronica rappresentava solo il 4-5% circa dell'energia primaria totale mondiale. L'energia primaria in genere indica l'energia chimica prodotta da una centrale elettrica a carbone o gas naturale. Questo ha tipicamente un'efficienza di conversione in elettricità del 35-40%.
La nostra crescente dipendenza dall'intelligenza artificiale, dall'apprendimento automatico e dall'IoT - o l'Internet delle cose in cui tutto è connesso elettronicamente, come i nostri sistemi di traffico, i sistemi di risposta alle emergenze e le energie rinnovabili e i sistemi di rete elettrica - porterà a un aumento esponenziale dell'elettronica dal punto di vista dei sistemi.
Ciò significa che entro il 2030 il consumo di energia della microelettronica dovrebbe essere almeno il 25% dell'energia primaria. Pertanto, rendere l'elettronica più efficiente dal punto di vista energetico è un grosso problema.
Per il nostro progetto ci chiediamo: "Quali innovazioni fondamentali sui materiali potrebbero ridurre significativamente il consumo energetico della microelettronica?" Stiamo esaminando un framework completamente diverso che esplora la nuova fisica utilizzando un approccio di co-design, in cui esperti leader mondiali in fisica dei materiali, progettazione di dispositivi e circuiti, fabbricazione e test e architettura a livello di chip stanno lavorando in collaborazione per portare avanti uno studio olistico dei percorsi verso l'informatica di prossima generazione.
D: Quali nuove applicazioni abiliteranno il tuo lavoro e come dimostrerai queste nuove capacità?
Garcia-Sciveres: Il nostro lavoro dimostrerà un imager a fotone singolo in grado di misurare lo spettro – la lunghezza d'onda o l'energia – di ogni singolo fotone o particella di luce che rileva. Ciò consente l'imaging iperspettrale, ovvero immagini in cui ogni pixel può essere scomposto in molti colori, fornendo molte più informazioni. L'imaging iperspettrale avvantaggia un'ampia gamma di scienze, dalla cosmologia all'imaging biologico.
L'esperimento spettroscopico dell'energia oscura (i sensori utilizzati per questi tipi di osservazioni funzionano a temperature inferiori a 1 grado sopra Il successivo lavoro di collaborazione con i ricercatori di Intel ha mostrato come questo potrebbe essere utilizzato per creare una nuova classe di dispositivi logici in memoria, denominata dispositivo MESO, che utilizza gli spin per eseguire operazioni logiche.
Per uno dei nostri progetti all'interno del nostro programma, utilizzeremo il nostro materiale magnetoelettrico per esplorare elementi multiferroici che funzioneranno a 100 millivolt, portando a un calo significativo del consumo di energia. (Un millivolt è un millesimo di volt.)
Il nostro secondo progetto sta esplorando la fisica fondamentale di un dispositivo condensatore, in cui uno strato ferroelettrico è sovrapposto a un transistor al silicio convenzionale per migliorarne l'efficienza energetica attraverso il cosiddetto effetto di capacità negativa. Il nostro progetto consentirebbe un dispositivo microelettronico che svolge sia funzioni di memoria che logiche. Questo approccio è radicalmente diverso dai chip dei nostri computer odierni, dove un tipo di chip esegue la logica o l'elaborazione dei dati e un altro chip memorizza i dati.
Il "Il progetto Co-Design and Integration of Nano-Sensors on CMOS” è una collaborazione tra i ricercatori del Berkeley Lab, del Sandia National Laboratory e dell'UC Berkeley. Gli investigatori co-principali includono Weilun Chao, Steve Holland, Mi-Young Im, Tevye Kuykendall, Francois Leonard, Yuan Mei, Andrew Nonaka, Katerina Papadopoulou, Greg Tikhomoirov, Archana Raja, Ricardo Ruiz e Jackie Yao.
Il "progetto Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics" è una collaborazione tra i ricercatori del Berkeley Lab e dell'UC Berkeley. Gli investigatori co-principali includono Sinéad Griffin, Lane Martin, Lavanya Ramakrishnan, Sayeef Saluhuddin, Padraic Shafer, John Shalf, Dilip Vasudevan e Jackie Yao.
