С Spintronics, Intel видит эффективность, масштабирование плотности далеко за пределами CMOS

Обычное масштабирование CMOS вошло в состояние окончательного снижения. Это базовый вынос, когда вы разрезаете маркетинговую информацию от компаний и смотрите на ожидаемые улучшения, предлагаемые на будущих узлах. 7nm по-прежнему будет предлагать значительное улучшение по сравнению с 16 / 14nm, ожидается, что 5 нм достигнет меньших (хотя и заметных) выигрышей, и, несмотря на это, все ставки отключены. Есть опасения, что узлы ниже 5 нм могут не быть коммерчески устойчивыми, поскольку из-за того, что доходы сокращаются по мере роста расходов, а также потому, что количество клиентов, желающих выплатить премии, увеличивается каждый раз, что требует более высоких затрат на меньшее количество фирм ,

Мы видели любое количество предложений, которые могли бы принести краткосрочные выгоды, такие как принятие микрожидкостных каналов охлаждения или превосходных материалов теплопередачи в самом процессоре, но не было никаких возможностей для повышения, которое могло бы привести к увеличению масштабирования, даже приближаясь к Хорошему Закон о старых днях Мура и скрининг Деннарда.

Сегодня исследователи Intel опубликовали статью в Природе, которая может указать путь к решению этого, казалось бы, неразрешимого положения дел. С одной стороны, это действительно интересные новости. Как говорится в документе:

Здесь мы предлагаем масштабируемое спинтронное логическое устройство, которое работает через спин-орбитальную трансдукцию (связь электронного момента электрона с его линейным импульсом) в сочетании с магнитоэлектрическим переключением. Устройство использует передовые квантовые материалы, особенно коррелированные оксиды и топологические состояния вещества, для коллективного переключения и обнаружения ... [I] n сравнению с технологией CMOS наше устройство обладает превосходной энергией переключения (в 10-30 раз), более низким коммутационным напряжением ( в 5 раз) и повышенной логической плотностью (в 5 раз). Кроме того, его нелетучесть обеспечивает сверхнизкую резервную мощность, что крайне важно для современных вычислений.

Это могло бы - и я подчеркиваю, может быть одним из первых шагов к возобновлению чего-то, похожего на «классическое» масштабирование полупроводников. Одна из причин, почему мы не видели, что производители стремятся к принятию определенных процессов и потенциальных улучшений, состоит в том, что выгоды требуют значительных инвестиций или производственных изменений для того, что по сути является одноразовыми улучшениями. То, что хотят полупроводниковые фирмы, - это дорожная карта, которая обещает дать улучшения как в краткосрочной, так и долгосрочной перспективе. После оценки более чем 25 предложений за пределами CMOS-вычислений Intel считает, что MESO - это название этой новой архитектуры, для магнитоэлектрической спиновой орбиты - имеет самые долгосрочные перспективы для улучшения масштабирования напряжения, масштабирования межсоединений, повышения энергоэффективности и масштабирования над несколькими поколениями.

Устройство построено из магнитоэлектрического переключающего конденсатора, ферромагнетика и модуля преобразования спин-заряда. Spintronics (портманто «электроники спинового транспорта») фокусируется на использовании спина электрона и его магнитного момента в качестве средства выполнения вычислительной активности. У устройств Spintronic есть намного более низкие требования к потреблению энергии, чем обычные машины, и они могут хранить данные в памяти, не тратя энергию на это. Сообщается, что Intel уменьшила напряжение, необходимое для мультиферроического материала от 3 до 500 мВ, и полагает, что они могут уменьшить его, вплоть до 100 мВ. Сегодня это намного ниже того, что используется.

Intel MESO имеет еще одно преимущество перед CMOS - это может значительно снизить потребляемую мощность для межсоединений. Мы поговорили с Сасикантом Манипатруни, директором по интеграции и производству функциональной электроники в Intel и автором статьи. По его словам, мощность соединения составляет до 50 процентов общего энергопотребления процессора в зависимости от того, что делает чип. Трудности в масштабировании скорости межсетевого соединения и общей производительности являются критическим компонентом так называемой «стены памяти» или разрыва между процессорными тактами и производительностью памяти. Усадки технологических узлов давно перестали быть полезными для медных проводов внутри микропроцессоров, что является частью того, почему AMD 7-нм Epyc процессоры AMD решили бросить все свои контроллеры ввода / вывода и DRAM в выделенную 14-нм матрицу и использовать 7 нм для ядер процессора самих себя.

Но MESO не полагается на сопротивление и емкость крошечных проводов - и это означает, что он не ограничен теми же факторами производительности или проблемами. Его требования к сопротивлению на 20-100x менее жесткие, чем обычные межсоединения, в то время как его требования к емкости в 100 раз менее жесткие. По словам Манипатруни, MESO может сократить мощность связи на порядок по сравнению с обычными подходами.

В настоящее время не ясно, сколько дополнительных ресурсов будет достигнуто за счет внедрения этих вычислительных методов. Собственная работа Intel показывает эквивалентную производительность между устройством 0,1 EV MESO и маломощным CMOS-устройством с низким энергопотреблением с входным напряжением 0,3 В, но для начала они являются продуктами с ультранизким энергопотреблением. Опять же, экономия энергии в одной области дизайна устройства часто дает разработчикам возможность использовать ее в другом месте. MESO и обычные схемы CMOS теоретически могут использоваться в одной и той же микросхеме, что позволяет выборочно улучшать некоторые области работы, не требуя создания такой конструкции.

Неизбежные предостережения

Я бы предостерег от предположения, что любая из этих работ появится в продуктах в ближайшем будущем. Исторически, это занимает 12-15 лет с момента прорыва, когда этот прорыв имеет тенденцию появляться в товарах для доставки, как показано на следующем графике:

Переход на MESO из CMOS был бы большим скачком, чем любой из них, но он представляет собой потенциальный путь вперед за счет принятия доменных архитектур (специализированные AI-чипы и графические процессоры являются примерами последних).

«MESO - это устройство, построенное из квантовых материалов с комнатной температурой», - сказал Манипатруни. «Это пример того, что возможно, и, надеюсь, инициирует инновации в промышленности, научном сообществе и национальных лабораториях. Ряд важных материалов и технологий еще предстоит разработать, чтобы позволить новому типу вычислительных устройств и архитектур ».

Intel также работает над этим проектом уже восемь лет. Но есть огромное количество открытий и достижений, которые должны произойти до того, как какой-либо коммерческий продукт выйдет на рынок. В ближайшей перспективе мы все еще придерживаемся 7nm, 5nm, и все, что может выйти за пределы 5 нм, можно найти жизнеспособный и экономически выгодный путь вперед.

Объем земли еще предстоит покрыть между устройствами MESO, которые Intel обсуждает в Природе, и, скажем, Core i9-9900K нельзя недооценивать. Но тот факт, что Intel думает, что он, возможно, нашел путь вперед, чтобы снова масштабировать область устройства, уменьшить мощность соединения и значительно сократить потребление энергии, важно, если только по этой причине: впервые за много лет мы слышали кого-то делают такие претензии, которые не полагаются на огромные успехи в проблемных новых исследовательских материалах, таких как графен (или «графен»). С MESO все еще есть проблемы и проблемы, и вполне возможно, что некоторые из них могут быть достаточно значительными, чтобы предотвратить коммерциализацию, но это все еще кажется многообещающим.

Кредит на лучший имидж: Getty Images

Читать далее

NVIDIA объявляет масштабирование изображения с открытым исходным кодом, новые DLSS и бесплатный инструмент I

Это большой день новостей для NVIDIA, так как компания развязала заграждение обновленного программного обеспечения, включая некоторые бесплатные инструменты.