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Processador 3D de nanotubos combina computação e armazenamento

Processador 3D de nanotubos combina computação e armazenamento
Os materiais usados permitem fabricar o processador a baixas temperaturas, viabilizando a fabricação de camadas sobre camadas. [Imagem: Max M. Shulaker et al. - 10.1038/nature22994]

Lógica e armazenamento no mesmo chip

Engenheiros da Universidade de Stanford e do MIT, nos EUA, usaram duas nanotecnologias complementares para desenvolver um processador de computador 3D que promete viabilizar uma nova geração de microeletrônicos energeticamente eficientes e capazes de processar enormes quantidades de dados.

O protótipo representa uma mudança radical em relação aos chips atuais. Em vez de usar componentes de silício, o chip usa nanotubos de carbono e células de memória de acesso aleatório resistivo (RRAM), um tipo de memória não-volátil que funciona mudando a resistência elétrica de um material sólido.

Ou seja, lógica e armazenamento são colocados no mesmo chip, o que permite eliminar a perda de tempo e o gasto de energia que os computadores atuais têm para mover os dados do processador para os pentes de memória e vice-versa.

Processador com transistores de nanotubos

O processador integra mais de 1 milhão de células de memória RRAM e 2 milhões de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono, tornando o sistema nanoelétrico mais complexo já feito com essas nanotecnologias emergentes - várias vezes maior do que o primeiro protótipo da equipe a usar lógica e memória empilhadas para fazer um processador 3D.

As memórias RRAM e os transistores de nanotubos de carbono são construídos verticalmente uns sobre os outros, criando uma arquitetura de computador 3D inovadora e muito densa, com camadas entrelaçadas de lógica e memória. Inserindo fios entre as camadas em uma densidade muito maior do que se pode alcançar nos chips 2D planos, esta arquitetura 3D promete resolver o problema do gargalo da comunicação intrachip, que já está inibindo a inserção de mais núcleos nos processadores tradicionais.

"Os circuitos hoje são 2D porque a fabricação de transistores de silício convencionais envolve temperaturas extremamente altas, acima dos 1.000 graus Celsius. Se você tentar construir uma segunda camada de circuitos de silício por cima [da primeira], essa alta temperatura vai danificar a camada inferior de circuitos," disse o professor Max Shulaker, principal idealizador da nova arquitetura 3D.

Os circuitos de nanotubos de carbono e a memória RRAM podem ser fabricados a temperaturas muito mais baixas, abaixo dos 200º C, de forma que podem ser fabricados em camadas sem prejudicar os circuitos abaixo, fabricados anteriormente.

Processador 3D de nanotubos combina computação e armazenamento
Ilustração do processo de fabricação sequencial do processador 3D. [Imagem: Max M. Shulaker et al. - 10.1038/nature22994]

10 vezes melhor

De acordo com a equipe, a nova arquitetura oferece vários benefícios simultâneos para os futuros sistemas de computação.

"Os dispositivos são melhores: a lógica feita com nanotubos de carbono pode ser uma ordem de grandeza [10 vezes] mais eficiente em termos de energia em comparação com a lógica de hoje feita a partir do silício; e, da mesma forma, a RRAM pode ser mais densa, mais rápida e mais energeticamente eficiente em comparação com a DRAM," disse o professor Philip Wong.

A equipe pretende agora iniciar uma parceria com uma fábrica de semicondutores para começar a desenvolver o processo em escala industrial.

Bibliografia:

Three-dimensional integration of nanotechnologies for computing and data storage on a single chip
Max M. Shulaker, Gage Hills, Rebecca S. Park, Roger T. Howe, Krishna Saraswat, H.-S. Philip Wong, Subhasish Mitra
Nature
Vol.: 10.1038/nature22994
DOI: 547, 74-78




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