La RAM ferroelettrica esegue calcoli direttamente all’interno della memoria

I ricercatori hanno sviluppato un differenziatore ferroelettrico in memoria in grado di eseguire calcoli direttamente nella memoria senza richiedere un processore separato.

In un nuovo studio di Nature Communications, i ricercatori hanno sviluppato un differenziatore ferroelettrico in memoria in grado di eseguire calcoli direttamente nella memoria senza richiedere un processore separato.

Poiché le operazioni differenziali sono fondamentali per diverse attività di calcolo, i ricercatori hanno sfruttato le proprietà del materiale ferroelettrico per creare il loro dispositivo.

Tech Xplore ha parlato con i co-autori, il Prof. Bobo Tian e il Prof. Chungang Duan della East China Normal University. “Ci siamo dedicati allo studio di dispositivi ispirati al cervello che utilizzano materiali ferroelettrici per circa dieci anni.

A causa della loro polarizzazione non volatile, i materiali ferroelettrici sono comunemente usati per l’archiviazione e l’emergente in-memory computing”, ha affermato il Prof. Tian.

Il collo di bottiglia di von Neumann

Le fondamenta dell’informatica moderna si trovano nell’architettura di von Neumann.

In tali sistemi, la memoria e le unità di elaborazione sono separate, il che le rende altamente inefficienti.

Il trasferimento dei dati tra le unità di elaborazione e la memoria causa latenza e richiede molta energia.

Questo è noto come collo di bottiglia di von Neumann ed è uno dei problemi più urgenti con la moderna architettura informatica.

Inoltre, per alcune attività come l’elaborazione di immagini e video, i requisiti di memoria sono eccessivi poiché per l’esecuzione delle operazioni sono necessari sia i fotogrammi correnti che quelli precedenti.

I ricercatori hanno affrontato questi problemi sfruttando il comportamento dinamico dei materiali ferroelettrici.

Condensatori ferroelettrici

I materiali ferroelettrici hanno una polarizzazione intrinseca quando non viene applicato un campo elettrico esterno, che può essere invertita all’applicazione del campo elettrico.

A causa di questo comportamento dinamico, i materiali ferroelettrici possono memorizzare e conservare le informazioni nella loro polarizzazione o allineamento dei dipoli.

Questo è noto come commutazione di dominio, dove il dominio si riferisce a una regione del materiale che ha una particolare polarizzazione.

“Durante la commutazione del dominio ferroelettrico, arrivano segnali di corrente misurabili, poiché la commutazione ferroelettrica è essenzialmente un cambiamento della polarità del dipolo, che deve generare corrente elettrica. Questo fenomeno è raro in altri materiali non volatili in cui la modifica dei parametri può essere rilevata solo da un’operazione di lettura successiva», ha spiegato il prof. Duan.

I ricercatori hanno quindi deciso di utilizzare condensatori ferroelettrici come dispositivi differenziatori.

I condensatori modellano intrinsecamente il cambiamento nel tempo con il modo in cui la carica viene immagazzinata al loro interno, rendendoli un candidato ideale per le operazioni differenziali.

Inoltre, il modo in cui un condensatore immagazzina e rilascia la carica imita la memoria. Il condensatore ricorda la quantità di carica che mantiene fino a quando non viene scaricato, il che si traduce in una memorizzazione delle informazioni come livelli di tensione attraverso il condensatore.

Questo dispositivo è noto come RAM ferroelettrica o FeRAM.

È non volatile come la memoria flash, il che significa che il dispositivo ricorda le informazioni anche quando l’alimentazione è spenta sotto forma di polarizzazione.

Il futuro dei dispositivi edge

I ricercatori hanno costruito un array di barre trasversali passive 40×40 di 1.600 condensatori polimerici ferroelettrici. Ciò significa che il dispositivo non ha altri componenti attivi come i transistor.

I condensatori possono eseguire direttamente i calcoli, funzionando come RAM e CPU in un unico dispositivo, eliminando la necessità di trasferimento dei dati.

“È interessante notare che la commutazione di dominio all’interno di un condensatore ferroelettrico può generare correnti rilevabili macroscopicamente nel circuito. Quando l’orientamento del dominio ferroelettrico è codificato per memorizzare le informazioni, la commutazione del dominio fornisce informazioni differenziali in situ”, ha detto il prof. Tian.

Ciò significa che i ricercatori utilizzano la corrente come segnale, indicando direttamente un cambiamento tra ingressi successivi.

In sostanza, il dispositivo è in grado di identificare le differenze tra gli input senza richiedere calcoli aggiuntivi, scrivendo anche nuovi dati in memoria.

I ricercatori hanno dimostrato questa capacità attraverso un efficiente rilevamento del movimento nell’elaborazione video e nel calcolo delle derivate del primo e del secondo ordine.

Il differenziatore ferroelettrico in memoria ha dimostrato efficienza energetica, consumando circa 0,24 femtojoule (fJ) per calcolo differenziale quando operato a una frequenza di 1 MHz (megahertz).

Secondo i ricercatori, il loro dispositivo è da cinque a sei ordini di grandezza più efficiente delle attuali CPU e GPU, in particolare Intel 12900 e NVIDIA V100.

Grazie alla loro elevata efficienza, questi dispositivi potrebbero essere eccellenti per applicazioni di edge computing, come l’elaborazione di video e immagini, e dispositivi biomedici per l’elaborazione in tempo reale di dati ECG/EEG.

Anche la scalabilità della tecnologia sembra promettente.

«L’assenza di vincoli di scala, grazie a materiali ferroelettrici compatibili con il silicio come il ferroelettrico a base di afnia o a base di nitruro di alluminio, consente la produzione di massa di array ferroelettrici (>1 Gbit) in grado di eseguire calcoli differenziali complessi», ha spiegato il prof. Duan.

I ricercatori hanno spiegato che la loro visione a lungo termine è quella di passare dall’elaborazione dei dati al calcolo delle leggi fisiche all’edge, in cui gli array ferroelettrici risolvono in modo nativo le equazioni differenziali che governano i fenomeni del mondo reale.

The post La RAM ferroelettrica esegue calcoli direttamente all’interno della memoria appeared first on Cronache di Scienza.