ธาตุซิลิคอน

สิ่งนี้ขัดขวางการใช้งานตัวเร่งการเรียนรู้เชิงลึกที่มีแนวโน้มสูง - อาร์เรย์ของหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มไฟฟ้าเคมีหรือ ECRAM จนกระทั่งทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์เออร์บานา-แชมเพนประสบความสำเร็จในการรวม ECRAM ในระดับวัสดุเข้ากับทรานซิสเตอร์ซิลิคอนเป็นครั้งแรก . นักวิจัยซึ่งนำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Jinsong Cui และศาสตราจารย์ Qing Cao จาก Department of Materials Science & Engineering ได้รายงานเมื่อเร็วๆ นี้เกี่ยวกับอุปกรณ์ ECRAM ที่ออกแบบและประดิษฐ์ขึ้นด้วยวัสดุที่สามารถวางลงบนซิลิกอนได้โดยตรงระหว่างการผลิตใน Nature Electronics ทำให้ได้ ECRAM ที่ใช้งานได้จริงตัวแรก - เร่งการเรียนรู้เชิงลึก "อุปกรณ์ ECRAM อื่น ๆ ได้รับการสร้างขึ้นด้วยคุณสมบัติที่ยากต่อการได้มาซึ่งจำเป็นสำหรับตัวเร่งการเรียนรู้เชิงลึก แต่อุปกรณ์ของเราเป็นอุปกรณ์แรกที่มีคุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดและรวมเข้ากับซิลิกอนโดยไม่มีปัญหาด้านความเข้ากันได้" นายเฉากล่าว "นี่เป็นอุปสรรคสำคัญสุดท้ายในการใช้เทคโนโลยีอย่างแพร่หลาย" ECRAM เป็นเซลล์หน่วยความจำหรืออุปกรณ์ที่เก็บข้อมูลและใช้สำหรับการคำนวณในตำแหน่งทางกายภาพเดียวกัน สถาปัตยกรรมการประมวลผลที่ไม่เป็นมาตรฐานนี้ช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานของการส่งข้อมูลระหว่างหน่วยความจำและโปรเซสเซอร์ ทำให้สามารถดำเนินการที่ต้องใช้ข้อมูลจำนวนมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ ECRAM เข้ารหัสข้อมูลโดยการสับเปลี่ยนไอออนเคลื่อนที่ระหว่างเกทและแชนเนล พัลส์ไฟฟ้าที่ใช้กับเทอร์มินอลเกทจะฉีดไอออนเข้าหรือดึงไอออนจากช่องสัญญาณ และผลการเปลี่ยนแปลงในการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณจะเก็บข้อมูลไว้ จากนั้นจะอ่านค่าโดยการวัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านช่องสัญญาณ อิเล็กโทรไลต์ระหว่างเกทและแชนเนลจะป้องกันการไหลของไอออนที่ไม่ต้องการ ทำให้ ECRAM สามารถเก็บข้อมูลเป็นหน่วยความจำที่ไม่ลบเลือนได้ ทีมวิจัยได้เลือกวัสดุที่เข้ากันได้กับเทคนิคการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กของ ซิลิคอน : ทังสเตนออกไซด์สำหรับประตูและช่อง เซอร์โคเนียมออกไซด์สำหรับอิเล็กโทรไลต์ และโปรตอนเป็นไอออนเคลื่อนที่ สิ่งนี้ทำให้อุปกรณ์สามารถรวมเข้ากับและควบคุมโดยไมโครอิเล็กทรอนิกส์มาตรฐาน อุปกรณ์ ECRAM อื่นๆ ได้รับแรงบันดาลใจจากกระบวนการทางระบบประสาทหรือแม้แต่เทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ และใช้สารอินทรีย์หรือลิเธียมไอออน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้เข้ากันไม่ได้กับโครงสร้างไมโครซิลิคอน นอกจากนี้ อุปกรณ์กลุ่ม Cao ยังมีคุณสมบัติอื่นๆ อีกมากมายที่ทำให้เหมาะสำหรับตัวเร่งการเรียนรู้เชิงลึก "ในขณะที่การรวมซิลิกอนเป็นสิ่งสำคัญ เซลล์หน่วยความจำในอุดมคติจะต้องมีคุณสมบัติครบถ้วน" เฉากล่าว "วัสดุที่เราเลือกก่อให้เกิดคุณสมบัติอื่นๆ ที่น่าพึงใจอีกมากมาย" เนื่องจากใช้วัสดุชนิดเดียวกันสำหรับเกตและเทอร์มินอลช่องสัญญาณ การฉีดไอออนเข้าและดึงไอออนออกจากช่องจึงเป็นการทำงานแบบสมมาตร ทำให้รูปแบบการควบคุมง่ายขึ้นและเพิ่มความน่าเชื่อถืออย่างมาก ช่องนี้กักเก็บไอออนไว้ได้นานหลายชั่วโมง ซึ่งเพียงพอสำหรับการฝึกโครงข่ายประสาทส่วนลึกส่วนใหญ่ เนื่องจากไอออนเป็นโปรตอน ซึ่งเป็นไอออนที่เล็กที่สุด อุปกรณ์ต่างๆ จึงเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว นักวิจัยพบว่าอุปกรณ์ของพวกเขาใช้งานได้นานกว่า 100 ล้านรอบการอ่าน-เขียน และมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีหน่วยความจำมาตรฐานอย่างมาก สุดท้ายนี้ เนื่องจากวัสดุเข้ากันได้กับเทคนิคการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก อุปกรณ์จึงอาจย่อขนาดให้เล็กลงเหลือขนาดไมโครและนาโน ทำให้มีความหนาแน่นและพลังการประมวลผลสูง นักวิจัยได้สาธิตอุปกรณ์ของพวกเขาโดยสร้างอาร์เรย์ของ ECRAM บนไมโครชิปซิลิคอนเพื่อทำการคูณเมทริกซ์กับเวกเตอร์ ซึ่งเป็นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่สำคัญต่อการเรียนรู้เชิงลึก รายการเมทริกซ์หรือน้ำหนักเครือข่ายประสาทถูกเก็บไว้ใน ECRAM และอาร์เรย์ทำการคูณกับอินพุตเวกเตอร์ซึ่งแสดงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ โดยใช้น้ำหนักที่เก็บไว้เพื่อเปลี่ยนกระแสผลลัพธ์ การดำเนินการนี้รวมถึงการอัพเดตน้ำหนักได้ดำเนินการโดยมีความขนานกันในระดับสูง "อุปกรณ์ ECRAM ของเราจะมีประโยชน์มากที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันเอดจ์คอมพิวติ้ง AI ที่ไวต่อขนาดชิปและการใช้พลังงาน" เฉากล่าว "นั่นคือจุดที่อุปกรณ์ประเภทนี้มีประโยชน์ที่สำคัญที่สุดเมื่อเทียบกับสิ่งที่เป็นไปได้ด้วยตัวเร่งความเร็วแบบซิลิกอน" นักวิจัยกำลังจดสิทธิบัตรอุปกรณ์ใหม่ และกำลังทำงานร่วมกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เพื่อนำเทคโนโลยีใหม่นี้ออกสู่ตลาด จากข้อมูลของ Cao การใช้งานหลักของเทคโนโลยีนี้คือในยานพาหนะอัตโนมัติ ซึ่งต้องเรียนรู้สภาพแวดล้อมโดยรอบอย่างรวดเร็วและตัดสินใจด้วยทรัพยากรการคำนวณที่จำกัด เขากำลังร่วมมือกับคณะวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของรัฐอิลลินอยส์เพื่อรวม ECRAM เข้ากับชิปซิลิกอนที่ประดิษฐ์ขึ้นจากโรงหล่อ และคณะวิทยาการคอมพิวเตอร์ของรัฐอิลลินอยส์เพื่อพัฒนาซอฟต์แวร์และอัลกอริทึมโดยใช้ประโยชน์จากความสามารถเฉพาะตัวของ ECRAM