アナログとデジタル: 両方の長所を 1 つのエネルギーで実現

私たちは、脳によって同時に処理され保存される連続的な情報の流れのアナログな世界に住んでいますが、私たちのデバイスは、情報を小さなビット (またはバイト) に分割して、離散的なバイナリ コードの形式で情報をデジタル的に処理します。 EPFL の研究者は、連続アナログ処理の可能性とデジタル デバイスの精度を組み合わせた先駆的なテクノロジーを明らかにしました。 Nature Electronics に掲載されたこの研究では、極薄の二次元半導体と強誘電体材料をシームレスに統合することにより、エネルギー効率を向上させ、コンピューティングに新しい機能を追加する新しい方法が明らかになりました。 新しい構成では、従来のデジタル ロジックと脳のようなアナログ操作が融合されています。

エレクトロニクスの高速化と効率化

ナノエレクトロニクス デバイス研究所 (Nanolab) がマイクロシステム研究所と協力して行ったイノベーションは、脳に着想を得た機能と、傑出した負性容量トンネル電界効果トランジスタ (TFET) などの高度な電子スイッチにつながる材料のユニークな組み合わせを中心に展開されています。 エレクトロニクスの世界では、トランジスタまたは「スイッチ」は、電流が流れる (オン) か流れない (オフ) かを決定する照明のスイッチにたとえることができます。 これらはバイナリ コンピュータ言語の有名な 1 と 0 であり、オンとオフを切り替えるというこの単純な動作は、情報の処理からメモリの保存まで、電子デバイスのほぼすべての機能に不可欠です。 TFET は、エネルギーを意識した未来を念頭に置いて設計された特別なタイプのスイッチです。 オンにするために特定の最小電圧を必要とする従来のトランジスタとは異なり、TFET は大幅に低い電圧で動作できます。 この最適化された設計により、スイッチング時の消費エネルギーが大幅に削減され、統合されているデバイス全体の消費電力が大幅に削減されます。

Nanolab の所長である Adrian Ionescu 教授は次のように述べています。「私たちの取り組みは、これまでの性能ベンチマークを打ち破り、エレクトロニクス分野における大きな飛躍を表しており、負性容量の二セレン化タングステン/二セレン化スズ TFET と同じ技術内でシナプスニューロン機能を作り出す可能性があります。」

EPFL の博士課程候補者である Sadegh Kamii は、完全に相互統合された電子システム内で 2D 半導体と強誘電体材料の可能性を初めて活用しました。 2D 半導体は超効率のデジタルプロセッサに使用できますが、強誘電体材料は連続的な処理とメモリの保存を同時に行う可能性を提供します。 2 つの素材を組み合わせることで、それぞれのデジタルとアナログの能力を最大限に活用する機会が生まれます。 上記の例えによる照明スイッチはエネルギー効率が高いだけでなく、点灯する光はさらに明るくなります。 鎌栄氏はさらに、「2D半導体を操作し、それを強誘電体材料と統合することは、困難ではあるが、非常にやりがいのあるものである。我々の発見の潜在的な応用は、将来、電子デバイスに対する見方や相互作用を再定義する可能性がある。」と付け加えた。

従来のロジックとニューロモーフィック回路の融合

さらに、この研究では、ニューロモーフィック コンピューティング向けに、脳細胞間の複雑なコネクタである生物学的シナプスに似たスイッチの作成についても掘り下げています。 「この研究は、ノイマン論理回路とニューロモーフィック機能の史上初の共同統合を示しており、極めて低い消費電力と、デジタル情報処理と組み合わせたニューロモーフィック機能を構築するこれまで未開発の機能を特徴とする革新的なコンピューティング アーキテクチャの作成に向けたエキサイティングな方向性を示しています。」 」とヨネスクは付け加えた。

このような進歩は、人間の脳と並行して動作し、人間の認知により近い方法で計算速度と情報処理を結びつける電子デバイスを示唆しています。 たとえば、ニューロモーフィック システムは、パターン認識、感覚データ処理、さらには特定の種類の学習など、従来のコンピューターが苦手とするタスクに優れている可能性があります。 従来のロジックとニューロモーフィック回路のこの融合は、広範囲にわたる影響を伴う変革的な変化を示しています。 将来的には、よりスマートで高速なだけでなく、エネルギー効率が飛躍的に向上したデバイスが登場する可能性があります。