Naukowcy opracowują atomowo precyzyjne memrystory na potrzeby zaawansowanych neuromorficznych systemów obliczeniowych.
Uniwersytety w Kansas i Uniwersytet w Houston, wspierane kwotą 1,8 miliona dolarów z programu Future of Semiconductor (FuSe2) fundacji National Science Foundation, współpracują nad opracowaniem atomowo przestrajalnych rezystorów pamięci, zwanych „memrystorami”. Te zaawansowane komponenty zaprojektowano z myślą o zastosowaniach obliczeniowych inspirowanych pracą mózgu i będą wspierać rozwój siły roboczej w branży półprzewodników.
Rozpoczęty w 2023 r. program FuSe2, we współpracy z partnerami branżowymi, takimi jak Micron, Intel i Samsung, zajmuje się kluczowymi wyzwaniami w zakresie badań i rozwoju półprzewodników.
Obliczenia neuromorficzne i rozwój memrystorów
Zespół z Kansas-Houston, kierowany przez Judy Wu z ALK, wybitną profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie, składa się z Hartwina Peelaersa, profesora nadzwyczajnego fizyki i astronomii na ALK oraz Francisco Roblesa z Houston. Ich projekt koncentruje się na „obliczeniu neuromorficznym” – podejściu naśladującym szybkie i energooszczędne przetwarzanie w mózgu, a którego celem jest ulepszenie sztucznej inteligencji za pomocą memrystorów, które działają jak sztuczne neurony i synapsy.
Podejście współprojektowania w badaniach półprzewodników
Wu i jej współpracownicy zastosują podejście wspólnego projektowania, łączące projektowanie, wytwarzanie i testowanie materiałów, aby osiągnąć precyzyjne dostrojenie w skali atomowej memrystorów tlenkowych półprzewodników, aby umożliwić funkcjonalności w obwodach neuromorficznych.
Badania będą dotyczyć długotrwałego wyzwania w badaniach materiałowych: czy kilka warstw atomowych ułożonych z atomową precyzją może zapewnić funkcjonalność i jednorodność na dużym obszarze potrzebne w przyszłej elektronice półprzewodnikowej. Skala atomowa jest 10 razy cieńsza niż nanometr. (Dla porównania arkusz papieru ma grubość około 100 000 nanometrów.)
Innowacje w technologii memrystorowej
„Innowacją, która doprowadziła do tego finansowania, są ultracienkie memrystory oparte na ultraszerokim pasmie wzbronionym półprzewodnikitakie jak tlenek galu, o strukturze elektronicznej dostrojonej w skali atomowej w oparciu o symulacje teoretyczne” – powiedział Wu. „Ta innowacja jest efektem pracy zespołowej trzech badaczy — Peelaersa, Roblesa i mnie — podczas opracowywania podejścia wspólnego projektowania, które umożliwiło nam uzyskanie projektu memrystora sterowanego symulacją”.
Rzeczywiście Wu i jej współpracownicy jako pierwsi zademonstrowali pamięć o grubości poniżej 2 nanometrów.
„To jeden z naszych najważniejszych wynalazków” – powiedział Wu. „Mamy technikę, której nie ma nikt inny na świecie – innowację, która umożliwia nam umieszczenie razem zaledwie kilku warstw atomowych”.
Przy grubości warstwy bliskiej 0,1 do poniżej dwóch nanometrów badaczka z ALK i jej współpracownicy wyznaczają nowe terytoria naukowe.
„Jesteśmy w stanie układać wybrane warstwy atomowe” – powiedział Wu. „Nadrzędnym celem naszej pracy jest opracowanie atomowo «przestrajalnych» memrystorów, które mogą działać jak neurony i synapsy w obwodzie neuromorficznym. Opracowując ten obwód, chcemy umożliwić przetwarzanie neuromorficzne. Jest to główny cel naszych badań. Chcemy naśladować sposób, w jaki nasz mózg myśli, oblicza, podejmuje decyzje i rozpoznaje wzorce – czyli wszystko, co mózg robi z dużą szybkością i wysoką efektywnością energetyczną”.
Praca w obu instytucjach zapewni pionierskie szkolenie pracowników w dziedzinach STEM poprzez edukację i działania informacyjne, prowadzone przez zespół ekspertów, w tym profesorowie Heather Domjan i Haiying Long, dr Teresa MacDonald, Eleanor Gardner i Carolyn Kocken, przy udziale całego zespołu, z udziałem celem jest stworzenie zróżnicowanej i unikalnej siły roboczej dla przemysłu półprzewodników.
„Program ten kładzie wyraźny nacisk na szkolenie pracowników w zakresie półprzewodników” – powiedział Wu. „Aby wyjść naprzeciw tej potrzebie, planujemy organizować tygodniowe warsztaty każdego lata przez trzy lata. Będziemy skupiać się szczególnie na uczniach-migrantach, którzy są obywatelami USA, ale których rodzice mogą pracować sezonowo. Uczniowie ci często borykają się z trudnościami edukacyjnymi, ponieważ ich rodziny muszą przeprowadzać się ze względu na pracę, co ogranicza kontakt z takimi dziedzinami, jak półprzewodniki, zaawansowana mikroelektronika i przyszła mikrofabrykacja w pomieszczeniach czystych”.
Wu i jej współpracownicy będą rekrutować uczniów-migrantów z Kansas w Teksasie i innych obszarów, aby zapewnić możliwości edukacyjne uczniom z rodzin znajdujących się w niekorzystnej sytuacji finansowej.
„Mamy nadzieję udostępnić im zaawansowane technologicznie dziedziny półprzewodników, aby mogli rozważyć karierę w tej dziedzinie” – powiedział Wu. „Wielu doktorantów studenci naszego zespołu są teraz zatrudnieni w takich firmach jak Intel, Honeywell, Tower Semiconductor, Blue Origin, Lockheed Martin i ASM — więc ci studenci mogą podążać podobną ścieżką. Planujemy także opracować serię praktycznych działań informacyjnych w Internecie, aby zwiększyć wpływ na nasze społeczeństwo”.
