Новый мемтранзистор может снизить энергопотребление ИИ-чипов
Исследователи Корейского института передовых технологий KAIST разработали программируемый полупроводниковый элемент, способный аппаратно подстраивать скорость реакции под темп поступающих данных. Технология может стать основой более энергоэффективных ИИ-чипов для роботов, беспилотных автомобилей, носимой электроники и других устройств, которым приходится обрабатывать информацию в реальном времени.
Новый компонент получил название PDM (Programmable Dynamic Memtransistor) — программируемый динамический мемтранзистор. Он сочетает функции транзистора и элемента памяти: выполняет вычисления и одновременно сохраняет заданные характеристики без постоянной подачи питания.
Главное отличие PDM от обычных полупроводниковых компонентов заключается в возможности программировать скорость его реакции на входной сигнал. У традиционного элемента характеристики фиксированы после производства, а PDM можно настроить на работу с быстро или медленно меняющимися данными.
Для систем, работающих с информацией из реального мира, это особенно важно. Например, датчики робота могут одновременно фиксировать резкое движение, продолжающееся доли секунды, и медленное изменение положения объекта. Обычным системам приходится компенсировать такую разницу программными методами, что увеличивает вычислительную нагрузку и энергопотребление.
В PDM эту задачу частично перенесли непосредственно на аппаратный уровень. В структуре транзистора используются два функциональных слоя: один отвечает за накопление и обработку электрического заряда, а второй захватывает электроны и определяет, насколько быстро устройство возвращается в исходное состояние после получения сигнала.
Изменяя характеристики слоя захвата электронов, исследователи смогли регулировать время восстановления тока примерно в пятикратном диапазоне. При этом характерную рабочую частоту элемента удалось изменять более чем в десять раз.
Настройки PDM при этом сохраняются без постоянного энергоснабжения. После программирования мемтранзистор продолжает работать с заданной скоростью реакции, поэтому часть адаптации к характеру данных можно выполнять без участия программного обеспечения.
Во время испытаний PDM использовали для обработки временных рядов, содержащих одновременно быстрые и медленные изменения. В отдельных тестах ошибка прогнозирования оказалась до 40 раз ниже, чем у традиционного полупроводникового элемента с фиксированной скоростью реакции.
Исследователи также создали массив из нескольких PDM, настроенных на разные временные характеристики. Благодаря этому система могла параллельно анализировать сигналы, изменяющиеся с разной скоростью, и извлекать информацию сразу в нескольких временных масштабах.
По данным KAIST, экспериментальный массив приблизился по точности к традиционным системам, выполняющим аналогичный анализ программными методами, но при значительно меньшем энергопотреблении. При этом точные показатели расхода энергии в представленном описании работы не приводятся.
Работу технологии проверили на данных рукописного ввода и движении объектов с разной скоростью. PDM способен изменять собственные характеристики в зависимости от динамики входного сигнала.
Разработка создана командой KAIST при участии исследователей Semiconductor R&D Center компании Samsung Electronics. Авторы отмечают, что PDM совместим с материалами, уже применяемыми в современной полупроводниковой промышленности, что потенциально может упростить его дальнейшее внедрение в производство.