El nuevo dispositivo ferroeléctrico realiza cálculos dentro de la memoria

En un nuevo Comunicaciones de la naturaleza estudiarlos investigadores han desarrollado un diferenciador ferroeléctrico en memoria capaz de realizar cálculos directamente en la memoria sin requerir un procesador separado.

El diferenciador propuesto promete eficiencia energética, especialmente para dispositivos de borde como teléfonos inteligentes, vehículos autónomos y cámaras de seguridad.

Los enfoques tradicionales para tareas como el procesamiento de imágenes y la detección de movimiento implican procesos de energía intensiva en varios pasos. Esto comienza con los datos de grabación, que se transmiten a una unidad de memoria, que transmite aún más los datos a una unidad de microcontrolador para realizar operaciones diferenciales.

Dado que las operaciones diferenciales son fundamentales para varias tareas informáticas, los investigadores explotaron las propiedades del material ferroeléctrico para crear su dispositivo.

Tech Xplore habló con los coautores profesor Bobo Tian y el profesor Chungang Duan de la Universidad Normal de East China. «Nos hemos dedicado al estudio de dispositivos inspirados en el cerebro utilizando materiales ferroeléctricos durante aproximadamente diez años. Debido a su polarización no volátil, los materiales ferroeléctricos se usan comúnmente para el almacenamiento y la computación emergente en la memoria», dijo el profesor Tian.

El cuello de botella de Von Neumann

La base de la informática moderna se encuentra en la arquitectura von Neumann. En tales sistemas, la memoria y las unidades de procesamiento están separadas, lo que las hace muy ineficientes.

La transferencia de datos entre las unidades de procesamiento y la memoria causa latencia y requiere mucha energía. Esto se conoce como el cuello de botella de Von Neumann y es uno de los problemas más apremiantes con la arquitectura informática moderna.

Además, para ciertas tareas como el procesamiento de imágenes y videos, los requisitos de memoria son excesivos ya que se requieren marcos actuales y anteriores para realizar operaciones.

Los investigadores abordaron estos problemas aprovechando el comportamiento dinámico de los materiales ferroeléctricos.

Condensadores ferroeléctricos

Los materiales ferroeléctricos tienen polarización inherente cuando no se aplica un campo eléctrico externo, lo que puede revertirse tras la aplicación del campo eléctrico.

Debido a este comportamiento dinámico, los materiales ferroeléctricos pueden almacenar y retener información en su polarización o alineación de dipolos. Esto se conoce como cambio de dominio, con un dominio que se refiere a una región del material que tiene una polarización particular.

«Durante la conmutación de dominio ferroeléctrico, se producen señales de corriente medibles, ya que la conmutación de ferroelectricidad es esencialmente un cambio de la polaridad del dipolo, que debe generar corriente eléctrica. Este fenómeno es raro en otros materiales no volátiles donde el cambio de parámetros solo puede detectarse mediante una operación de lectura siguiente», explicó Prof. Duan.

Por lo tanto, los investigadores decidieron usar condensadores ferroeléctricos como sus dispositivos diferenciador. Los condensadores inherentemente modelan el cambio con el tiempo con la forma en que se almacena la carga en ellos, lo que los convierte en un candidato ideal para operaciones diferenciales.

Además, la forma en que un condensador almacena y libera carga imita la memoria. El condensador recuerda cuánta carga tiene hasta que se descarga, lo que se traduce en almacenamiento de información como niveles de voltaje en todo el condensador.

Este dispositivo se conoce como RAM ferroeléctrico o Feram. No es volátil como la memoria flash, lo que significa que el dispositivo recuerda la información incluso cuando la potencia está apagada en forma de polarización.

El futuro de los dispositivos de borde

Los investigadores construyeron una matriz de barras transversales pasivas de 40×40 de 1.600 condensadores de polímeros ferroeléctricos. Esto significa que el dispositivo no tiene otros componentes activos como los transistores.

Los condensadores pueden realizar cálculos directamente, funcionando como RAM y CPU en un solo dispositivo, eliminando la necesidad de transferencia de datos.

«Curiosamente, la conmutación de dominio dentro de un condensador ferroeléctrico puede generar corrientes detectables macroscópicamente en el circuito. Cuando la orientación del dominio ferroeléctrico está codificada para almacenar información, el cambio de dominio proporciona información diferencial in situ», dijo el profesor Tian.

Esto significa que los investigadores usan la corriente como señal, lo que indica directamente un cambio entre entradas sucesivas. Esencialmente, el dispositivo puede identificar diferencias entre las entradas sin requerir cálculos adicionales al tiempo que también escribe nuevos datos a la memoria.

Los investigadores demostraron esta capacidad a través de la detección de movimiento eficiente en el procesamiento de videos y el calculación de los derivados de primer y segundo orden.

El diferenciador ferroeléctrico en memoria demostró eficiencia energética, consumiendo aproximadamente 0.24 femtojulios (FJ) por cálculo diferencial cuando se operan a frecuencia de 1 MHz (megaherctz).

Según los investigadores, su dispositivo es de cinco a seis órdenes de magnitud más eficientes que las CPU y las GPU actuales, particularmente la Intel 12900 y NVIDIA V100.

Debido a su alta eficiencia, estos dispositivos podrían ser excelentes para aplicaciones de computación de borde, como el procesamiento de videos e imágenes, y dispositivos biomédicos para el procesamiento en tiempo real de datos ECG/EEG.

La escalabilidad de la tecnología también parece prometedora.

«La ausencia de restricciones de escala, gracias a los materiales ferroeléctricos compatibles con el silicio, como ferroeléctrico a base de aluminio o ferroeléctrico a base de nitruro, permite la producción en masa de matrices ferroeléctricas (＞ 1 Gbit) capaces de realizar cálculos diferenciales complejos», explicó el profesor de Duan.

Los investigadores explicaron que su visión a largo plazo es hacer la transición del procesamiento de datos a la computación de derecho físico en el borde, donde las matrices ferroeléctricas resuelven de forma nativa las ecuaciones diferenciales que rigen los fenómenos del mundo real.

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