Analogico e digitale: il meglio di entrambi i mondi in un'unica energia

Viviamo in un mondo analogico caratterizzato da un flusso continuo di informazioni che vengono elaborate e archiviate dal nostro cervello allo stesso tempo, ma i nostri dispositivi elaborano le informazioni digitalmente sotto forma di codice binario discreto, suddividendo le informazioni in piccoli bit (o morsi). I ricercatori dell’EPFL hanno rivelato una tecnologia pionieristica che combina il potenziale dell’elaborazione analogica continua con la precisione dei dispositivi digitali. Integrando perfettamente semiconduttori bidimensionali ultrasottili con materiali ferroelettrici, la ricerca, pubblicata su Nature Electronics, svela un nuovo modo per migliorare l'efficienza energetica e aggiungere nuove funzionalità nell'informatica. La nuova configurazione fonde la logica digitale tradizionale con operazioni analogiche simili a quelle del cervello.

Elettronica più veloce ed efficiente

L’innovazione del Nanoelectronics Device Laboratory (Nanolab), in collaborazione con il Microsystems Laboratory, ruota attorno a una combinazione unica di materiali che portano a funzioni ispirate al cervello e interruttori elettronici avanzati, incluso lo straordinario transistor a effetto di campo a tunnel (TFET) con capacità negativa. Nel mondo dell'elettronica, un transistor o "interruttore" può essere paragonato a un interruttore della luce, determinando se la corrente scorre (acceso) o meno (spento). Questi sono i famosi 1 e 0 del linguaggio informatico binario e questa semplice azione di accensione e spegnimento è parte integrante di quasi tutte le funzioni dei nostri dispositivi elettronici, dall'elaborazione delle informazioni alla memorizzazione della memoria. Il TFET è un tipo speciale di interruttore progettato pensando a un futuro attento all'energia. A differenza dei transistor convenzionali che richiedono una certa tensione minima per accendersi, i TFET possono funzionare a tensioni significativamente più basse. Questo design ottimizzato fa sì che consumino molta meno energia durante la commutazione, riducendo così in modo significativo il consumo energetico complessivo dei dispositivi in ​​cui sono integrati.

Secondo il professor Adrian Ionescu, capo di Nanolab, "I nostri sforzi rappresentano un significativo passo avanti nel campo dell'elettronica, avendo infranto i precedenti parametri di riferimento in termini di prestazioni, e sono esemplificati dalle eccezionali capacità del TFET di diselenuro di tungsteno/diseleniuro di stagno a capacità negativa e del possibilità di creare la funzione dei neuroni sinaptici all'interno della stessa tecnologia."

Sadegh Kamaei, dottorando presso l'EPFL, ha sfruttato per la prima volta il potenziale dei semiconduttori 2D e dei materiali ferroelettrici all'interno di un sistema elettronico completamente cointegrato. Le semiconduzioni 2D possono essere utilizzate per processori digitali ultraefficienti mentre il materiale ferroelettrico offre la possibilità di elaborare continuamente e archiviare memoria allo stesso tempo. La combinazione dei due materiali crea l'opportunità di sfruttare il meglio delle capacità digitali e analogiche di ciascuno. Ora, l'interruttore della luce della nostra analogia di cui sopra non solo è più efficiente dal punto di vista energetico, ma la luce che accende può bruciare ancora più intensamente. Kamaei ha aggiunto: "Lavorare con semiconduttori 2D e integrarli con materiali ferroelettrici è stato impegnativo ma immensamente gratificante. Le potenziali applicazioni delle nostre scoperte potrebbero ridefinire il modo in cui vediamo e interagiamo con i dispositivi elettronici in futuro".

Unendo la logica tradizionale con i circuiti neuromorfici

Inoltre, la ricerca approfondisce la creazione di interruttori simili alle sinapsi biologiche – gli intricati connettori tra le cellule cerebrali – per il calcolo neuromorfico. "La ricerca segna la prima cointegrazione in assoluto di circuiti logici di von Neumann e funzionalità neuromorfiche, tracciando un percorso entusiasmante verso la creazione di architetture informatiche innovative caratterizzate da un consumo energetico eccezionalmente basso e capacità finora inesplorate di costruire funzioni neuromorfiche combinate con l'elaborazione delle informazioni digitali ", aggiunge Ionescu.

Tali progressi suggeriscono dispositivi elettronici che operano in modo parallelo al cervello umano, coniugando la velocità di calcolo con l’elaborazione delle informazioni in un modo più in linea con la cognizione umana. Ad esempio, i sistemi neuromorfici potrebbero eccellere in compiti con cui i computer tradizionali hanno difficoltà, come il riconoscimento di schemi, l’elaborazione dei dati sensoriali o anche alcuni tipi di apprendimento. Questa miscela di logica tradizionale con circuiti neuromorfici indica un cambiamento trasformativo con implicazioni di vasta portata. Il futuro potrebbe vedere dispositivi non solo più intelligenti e veloci, ma anche esponenzialmente più efficienti dal punto di vista energetico.