Tot nu toe heeft neuromorphic computing geprobeerd de synapsen tussen neuronen in de hersenen na te bootsen. Maar de nieuwe aanpak is er in plaats daarvan op gericht zich te gedragen als dendrieten, spoelvormige structuren die zich vanuit de kern van een neuron vertakken, zoals de wortels van een boom. Dendrieten ontvangen signalen van andere neuronen via synapsen en zenden deze van de top naar de romp naar de kern. Volgens een team van onderzoekers van Stanford University zouden ‘nanodendrieten’ op het gebied van computers op dezelfde manier kunnen functioneren.
In samenwerking met halfgeleiderfabrikant GlobalFoundries hebben de onderzoekers deze week een dergelijke nanodendriet voorgesteld op de IEEE International Electronic Device Meeting (IEDM) van 2023. Het apparaat, een gemodificeerde transistor, fungeert als een schakelaar die een reeks spanningspulsen van microseconden detecteert. Hij wordt alleen ingeschakeld en laat stroom vloeien als de pulsen in de juiste volgorde aankomen. Volgens Stanford-professor bio-engineering Kwabeni Boahen zou deze aanpak kunnen leiden tot efficiënte parallelle verwerking in de 3D-chips waar AI steeds meer afhankelijk van zal zijn. Door de dendrieten van de hersenen na te bootsen, zouden deze chips minder stroom verbruiken en, nog belangrijker, minder warmte genereren.
Warmte is een ‘fundamenteel probleem’ in de huidige 3D-chiptechnologieën, zegt elektrotechnisch ingenieur H.-S. Philip Wong, IEEE Fellow en hoogleraar elektrotechniek aan Stanford. De gegenereerde warmte neemt proportioneel toe met het volume, maar de chips dissiperen de warmte met een snelheid die evenredig is met het oppervlak. Hierdoor worden momenteel “alle ontwikkelingen op het gebied van computers beperkt door warmteafvoer”, zegt Wong.
Het probleem kan worden opgelost met een nanodendrietbenadering, suggereert Wong, omdat hierbij gebruik wordt gemaakt van spanning in discrete pulsen in plaats van continu gehandhaafde niveaus. Het activeert daardoor minder draden tegelijk en genereert dus minder warmte.
Een typische veldeffecttransistor bestaat uit drie aansluitingen: source, gate en drain. Om de lading van de bron naar de afvoer te verplaatsen, wordt er een spanning op de poort aangelegd, waardoor het elektrische veld en de geleidbaarheid van het silicium veranderen. Het Stanford-apparaat behoudt dezelfde basiselementen, maar verdeelt de transistorpoort in drie delen. Het integreert ook een dunne laag ferro-elektrisch materiaal in de meerdelige poort, waardoor de polarisatie verandert wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd.
Schematisch diagram van (a) correcte pulssequentie en (b) onjuiste pulssequentie. In de juiste volgorde worden de inversiedragers van de bron naar G1 gevoerd, van de inversielaag van G1 naar G2, en van de inversielaag van G2 naar G3. Bijgevolg zijn alle dipolen omgekeerd. Stanford Universiteit/GlobalFoundries
Om lading door een transistorkanaal te laten bewegen, moet een reeks spanningspulsen in de juiste volgorde worden afgegeven, te beginnen bij het deel dat zich het dichtst bij de bron bevindt. Nadat het eerste gedeelte van de poort een impuls ontvangt, stromen ladingsdragers van de bron naar dit gedeelte en verandert de polarisatie ervan. De volgende puls doet hetzelfde in het middelste gedeelte, waardoor de laderbevestigingen uit het eerste gedeelte worden getrokken. Vervolgens ontvangt het derde deel de impuls, waarmee het geleidingskanaal wordt voltooid.
Maar dit zal niet gebeuren als de impulsen niet opeenvolgend zijn. Als bijvoorbeeld een puls eerst naar het middelste deel van de poort wordt gestuurd en vervolgens naar het deel dat zich het dichtst bij de bron bevindt, zal het middelste deel geen ladingsdragers uit de aangrenzende delen kunnen extraheren. De polarisatie ervan zal hetzelfde blijven, waardoor de vorming van een geleidend kanaal wordt belemmerd.
Omdat dit soort computergebruik afhankelijk is van een tijdsafhankelijke reeks pulsen, “hadden we een apparaat nodig dat de reeks pulsen kon onthouden”, zegt Wong. Daarom baseerden hij en Boahen hun ontwerp op ferro-elektrische transistors, die eerder waren voorgesteld als een manier om geheugen en logica in neuromorfe chips te combineren. Het ferro-elektrische materiaal zorgt voor geheugen in zijn polarisatie, dat omdraait wanneer de poort een spanningspuls ontvangt; vervolgens handhaaft het die polarisatie totdat het een nieuwe impuls krijgt, legt Hugo Chen uit, een promovendus geadviseerd door Wong die maandag werk presenteerde op de IEDM.
Hoewel de huidige versie van het afgebeelde apparaat een driedelige poort bevat – de eenvoudigste versie van een dendrietachtige structuur – wil het Stanford-team in de toekomst verdere segmentatie introduceren. Het toevoegen van meer poortpartities verhoogt de weerstand, merkt Chen op, hoewel dit waarschijnlijk geen probleem zal zijn, omdat de apparaten zullen worden gebouwd om parallelle verwerking mogelijk te maken.
Het bouwen van 3D-apparaten zal ook nieuwe processen vereisen. Deze chips zouden bijvoorbeeld bij een lage temperatuur moeten worden vervaardigd, zegt Wong, eraan toevoegend dat “hoe je zo’n systeem in 3D kunt bouwen nog steeds een relevante onderzoeksvraag is.”
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet