Стремительное развитие и распространение систем искусственного интеллекта (ИИ), таких как модели машинного обучения, лежащие в основе работы ChatGPT, Gemini и аналогичных платформ, предъявляют новые требования к отрасли электронной инженерии. Дело в том, что эти системы требуют больших вычислительных мощностей и потребляют много энергии, особенно при работе на существующих устройствах.

Поэтому инженеры-электронщики по всему миру пытаются разработать новые аппаратные системы, которые смогут более энергоэффективно выполнять алгоритмы машинного обучения без ущерба для их производительности. Один из перспективных подходов к снижению энергопотребления — использование двумерных (2D) полупроводников, ультратонких материалов, которые уже доказали свою эффективность при разработке более компактной электроники.

Хотя 2D-полупроводники показали себя многообещающим материалом для разработки миниатюрной и ультратонкой электроники, в большинстве ранних работ они использовались для изготовления отдельных компонентов или небольших схем. Кроме того, в нескольких более масштабных демонстрационных системах на основе 2D-полупроводников использовалось лишь ограниченное количество транзисторов и компонентов.

Исследователи из Нанкинского университета, Сучжоуской лаборатории и компании Huawei Technologies Co. Ltd. недавно разработали и изготовили полнофункциональный компьютер на основе двумерного полупроводника — дисульфида молибдена (MoS₂).

Этот компьютер, представленный в статье Nature Electronics,  состоит из 1433 транзисторов, соединенных между собой четырьмя металлическими слоями на компактной плате, что обеспечивает плотность интеграции около 9336 транзисторов на квадратный миллиметр, что сопоставимо с плотностью транзисторов в устройствах на основе кремния.. Компьютер оснащен  4-битным параллельным процессором, который может выполнять восемь различных инструкций, и четырьмя основными модулями. Модули включают в себя декодер команд, регистровый файл, арифметико-логическое устройство и мультиплексор. Ключевым фактором в разработке этой системы является многоуровневая методология совместной оптимизации, охватывающая проектирование транзисторов, стандартных ячеек, логический синтез и проектирование межсоединений.

«Декодер преобразует поступающие инструкции в сигналы, понятные чипу, которые указывают регистровому файлу на необходимость получения данных, арифметико-логическому устройству — на необходимость выполнения арифметических операций, а мультиплексору — на необходимость записи результатов обратно в регистры», — объясняют исследователи.

«В отличие от предыдущих 2D-чипов, которые могли обрабатывать только последовательные 1-битные данные, наша 4-битная конструкция обрабатывает четыре бита одновременно, что значительно повышает скорость».

«Это исследование стало результатом нашего понимания преобразующего потенциала двумерных полупроводников», — рассказал Tech Xplore Юнь Мао, один из первых авторов статьи.

«По мере того как масштабирование кремниевых транзисторов приближается к фундаментальным физическим пределам, двумерные полупроводники становятся одним из самых перспективных материалов для эпохи после закона Мура. Их атомная толщина подавляет эффекты, связанные с короткими каналами, которые препятствуют ультрамалой масштабируемости кремния, что позволяет добиться дальнейшей миниатюризации, недоступной для кремния».

Исследование открывает новые захватывающие возможности для создания энергоэффективных и ультратонких компьютеров на основе MoS₂ или других двумерных полупроводников. Предложенная исследователями методология вскоре может быть усовершенствована и применена для создания других подобных компьютеров.