Cambridge Üniversitesi'nde yapılan araştırmalar, yapay zeka (YZ) teknolojilerinin enerji tüketimini kökten değiştirebilecek yeni bir çip malzemesi ortaya çıkardı. Science Advances dergisinde yayımlanan bir makalede tanıtılan bu yeni nesil memristör, geleneksel çiplerin enerji ihtiyacını milyonlarca kat düşürme potansiyeline sahip.
Ekip, özellikle milyarlarca dolarlık harcamalara yol açabilen YZ hesaplamalarının enerji verimliliğini artırmayı hedefliyor. Mevcut bilgisayar mimarilerinde, veri işleme birimleri ile hafıza birimleri arasındaki veri aktarımı yüksek enerji gerektiriyor. Beyin benzeri mimariler üzerine inşa edilen memristör tabanlı sistemler ise bu enerji tüketimini %70'ten fazla azaltabiliyor.
Bu yeni teknoloji, hafnium oksitten (HfO2) üretilen ve bir iç p-n jonksiyonu oluşturan çok bileşenli ince bir filmden oluşuyor. Bu sayede cihaz, 10 nanoamperin altındaki akımlarda sorunsuz bir şekilde durum değiştirebiliyor ve yüzlerce farklı iletkenlik seviyesi üretebiliyor. Geleneksel HfO2 tabanlı memristörler, oksit içindeki iletken yolların büyümesi ve kopmasıyla çalışan filamentary rezistif anahtarlamaya dayanırken, bu yeni yaklaşım daha kararlı bir performans sunuyor.
Farklı Bir Yaklaşım: Stronsiyum ve Titanyum Katkısı
Cambridge'li araştırmacılar, hafnium okside stronsiyum ve titanyum ekleyerek ve filmi iki aşamalı bir işlemle kaplayarak farklı bir yol izlediler. Bu sayede, altta yatan n-tipi titanyum oksinitrür katmanıyla kendi kendine bir p-n heteroarayüzü oluşturan p-tipi bir Hf(Sr,Ti)O2 katmanı elde edildi. Direnç değişiklikleri, filamentlerin büyümesi veya kırılmasından ziyade bu arayüzdeki enerji bariyerinin yüksekliğini kaydırarak gerçekleşiyor.
Bu yaklaşımın avantajı, filamentary cihazlardaki rastgele davranışların aksine, arayüzde gerçekleşen anahtarlamanın döngüler ve cihazlar arasında üstün bir tekdüzelik sağlamasıdır. Cihazlar, 10-8 amperin altındaki anahtarlama akımları, 105 saniyenin üzerindeki veri saklama süresi ve 50.000'den fazla darbe anahtarlama döngüsüne dayanan dayanıklılık gösterdiler. Biyolojik nöral sinyalleşmeye benzer 1.0 V'luk tekdüzeler kullanılarak, doygunluk olmaksızın yüzlerce farklı seviyede 50 katı aşan bir iletkenlik modülasyon aralığına ulaşıldı.
Sinaptik güncelleme enerjisi yaklaşık 2.5 pikojul'den yaklaşık 45 femtojule kadar değişti. Cihazlar ayrıca zaman-bağımlı plastisiteyi yeniden ürettiler ve yaklaşık 40.000 elektronik darbe boyunca kararlı sinaptik çalışma gösterdiler.
Tek Bir Önemli Engelin Üstesinden Gelmek
Bu çipin geliştirilmesinde mevcut en büyük zorluk, kaplama işleminin yaklaşık 700°C'lik yüksek sıcaklıklar gerektirmesidir. Bu sıcaklık, mevcut CMOS üretim standartlarının üzerindedir. Araştırmacılar, sıcaklığı standart endüstriyel süreçlerle daha uyumlu hale getirmek için yöntemler üzerinde çalıştıklarını belirtiyorlar. Cihaz yığınında kullanılan tüm malzemeler CMOS ile uyumludur ve patent başvurusu yapılmıştır.
