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.
