Material 2D montado em 3D remodela a eletrônica, criando hardware para IA

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/12/2023

Ilustração esquemática de um sistema de computação de ponta baseado em eletrônica monolítica integrada em 3D e baseada em material 2D. As diferentes camadas funcionais são empilhadas, incluindo camadas de computação de IA, camadas de processamento de sinal e uma camada sensorial. O resultado é um processador talhado para IA.
[Imagem: Sang-Hoon Bae/WUSL]

Paralelismo integral

A crescente integração da microeletrônica permitiu criar chip multifuncionais, que incluem processadores, sensores, memórias e outros circuitos especializados. No entanto, à medida que os chips se expandiram, o tempo necessário para mover informações entre esses componentes funcionais também aumentou, atrapalhando a velocidade.

"Pense nisso como construir uma casa," compara o professor Sang-Hoon Bae, da Universidade de Washington em St. Louis, nos EUA. "Você constrói lateralmente e verticalmente para obter mais funções, mais espaço para realizar atividades mais especializadas, mas então precisa gastar mais tempo se movendo ou se comunicando entre os cômodos."

Bae e seus colegas de várias instituições estão então propondo uma nova abordagem: Usar materiais 2D em camadas para construir chips 3D monoliticamente integrados, o que tem muitas vantagens em relação aos chips de computador integrados lateralmente de hoje. Na analogia com a casa, seria como se você não precisasse mais passar do quarto para o banheiro para tomar banho, ou da cozinha para o quarto para dormir - todas as funcionalidades estão a uma camada atômica de distância de qualquer lugar.

Para demonstrar a técnica, a equipe integrou seis camadas atomicamente finas, cada uma com sua própria função. Isso reduziu significativamente o tempo de processamento, o consumo de energia, a latência e o espaço ocupado no chip.

Isso foi possível compactando firmemente as camadas para garantir uma conectividade densa entre cada uma delas. Como resultado, o hardware oferece eficiência e desempenho sem precedentes em tarefas de computação de inteligência artificial, com um paralelismo sem precedentes.

Protótipo funcional construído pela equipe.
[Imagem: Sang-Hoon Bae/WUSL]

Integração monolítica 3D

"A integração monolítica 3D tem o potencial de remodelar toda a indústria eletrônica e de computação, permitindo o desenvolvimento de dispositivos mais compactos, poderosos e com eficiência energética," disse Bae. "Materiais 2D atomicamente finos são ideais para isso, e meus colaboradores e eu continuaremos melhorando esse material até que possamos integrar todas as camadas funcionais em um único chip."

Esses dispositivos também podem ter mais funcionalidades e são mais flexíveis em termos de uso, tornando-os adequados para mais aplicações, incluindo as chamadas computação na borda e computação na memória.

"De veículos autônomos a diagnósticos médicos e centros de dados, as aplicações desta tecnologia monolítica de integração 3D são potencialmente ilimitadas," disse o pesquisador. "Por exemplo, a computação no sensor combina funções de sensor e computador em um único dispositivo, em vez de um sensor obter informações e depois transferir os dados para um computador. Isso nos permite obter um sinal e computar dados diretamente, resultando em processamento mais rápido, menor consumo de energia e segurança aprimorada porque os dados não estão sendo transferidos."

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