Um novo tipo de chip de computador 3D que combina duas nanotecnologias de ponta pode aumentar drasticamente a velocidade e a eficiência energética dos processadores, disse um novo estudo.
Os chips de hoje separam a memória (que armazena dados) e os circuitos lógicos (que processam dados), e os dados são alternados entre esses dois componentes para realizar operações. Porém, devido ao número limitado de conexões entre a memória e os circuitos lógicos, isso está se tornando um grande gargalo, principalmente porque se espera que os computadores lidem com quantidades cada vez maiores de dados.
Anteriormente, essa limitação era ocultada pelos efeitos da lei de Moore, que afirma que o número de transistores que podem caber em um chip duplica a cada dois anos, com um aumento no desempenho. Porém, à medida que os fabricantes de chips atingem limites físicos fundamentais de como os pequenos transistores podem obter, essa tendência diminuiu.
O novo chip protótipo, projetado por engenheiros da Universidade de Stanford e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, aborda os dois problemas simultaneamente, colocando camadas de memória e circuitos lógicos uns sobre os outros, em vez de lado a lado.
Isso não apenas faz uso eficiente do espaço, mas também aumenta drasticamente a área da superfície para conexões entre os componentes, disseram os pesquisadores. Um circuito lógico convencional teria um número limitado de pinos em cada extremidade através do qual transferir dados; por outro lado, os pesquisadores não se restringiram ao uso de arestas e conseguiram empacotar densamente fios verticais que corriam da camada lógica para a camada de memória.
"Com memória e computação separadas, um chip é quase como duas cidades muito populosas, mas há muito poucas pontes entre elas", disse ao Live Science o líder do estudo Subhasish Mitra, professor de engenharia elétrica e ciência da computação em Stanford. "Agora, não apenas reunimos essas duas cidades - construímos muito mais pontes para que o tráfego possa ir muito mais eficientemente entre elas".
Além disso, os pesquisadores usaram circuitos lógicos construídos a partir de transistores de nanotubos de carbono, juntamente com uma tecnologia emergente chamada memória de acesso aleatório resistivo (RRAM), ambas muito mais eficientes em termos energéticos do que as tecnologias de silício. Isso é importante porque a enorme energia necessária para executar os data centers constitui outro grande desafio enfrentado pelas empresas de tecnologia.
"Para obter a próxima melhoria de 1.000 vezes no desempenho da computação em termos de eficiência energética, que faz com que as coisas funcionem com muito pouca energia e ao mesmo tempo faz com que as coisas corram muito rápido, essa é a arquitetura que você precisa", disse Mitra.
Embora essas novas nanotecnologias tenham vantagens inerentes sobre a tecnologia convencional baseada em silício, elas também fazem parte da arquitetura 3D do novo chip, disseram os pesquisadores.
A razão pela qual os chips de hoje são 2D é porque a fabricação de transistores de silício em um chip requer temperaturas de mais de 1.000 graus Celsius, o que torna impossível a camada de circuitos de silício uns sobre os outros sem danificar a camada inferior, disseram os pesquisadores .
Mas os transistores de nanotubos de carbono e a RRAM são fabricados a menos de 200 graus Celsius (392 graus F), para que possam ser facilmente colocados sobre o silício sem danificar os circuitos subjacentes. Isso também torna a abordagem dos pesquisadores compatível com a atual tecnologia de fabricação de chips, disseram eles.
Empilhar muitas camadas umas sobre as outras pode levar ao superaquecimento, disse Mitra, porque as camadas superiores estarão longe dos dissipadores de calor na base do chip. Mas, ele acrescentou, esse problema deve ser relativamente simples, e o aumento da eficiência energética da nova tecnologia significa que menos calor é gerado em primeiro lugar.
Para demonstrar os benefícios de seu design, a equipe construiu um protótipo de detector de gás adicionando outra camada de sensores baseados em nanotubos de carbono na parte superior do chip. A integração vertical significava que cada um desses sensores estava diretamente conectado a uma célula RRAM, aumentando drasticamente a taxa na qual os dados podiam ser processados.
Esses dados foram transferidos para a camada lógica, que estava implementando um algoritmo de aprendizado de máquina que permitia distinguir entre os vapores de suco de limão, vodka e cerveja.
Porém, isso foi apenas uma demonstração, disse Mitra, e o chip é altamente versátil e particularmente adequado para o tipo de abordagem de rede neural profunda e com muitos dados que sustenta a atual tecnologia de inteligência artificial.
Jan Rabaey, professor de engenharia elétrica e ciência da computação na Universidade da Califórnia em Berkeley, que não participou da pesquisa, disse que concorda.
"Essas estruturas podem ser particularmente adequadas para paradigmas computacionais alternativos baseados na aprendizagem, como sistemas inspirados no cérebro e redes neurais profundas, e a abordagem apresentada pelos autores é definitivamente um grande primeiro passo nessa direção", disse ele ao MIT News.
