Nanotechnology Now - Press Release: 2D Material Reshapes 3D Electronics For AI Hardware

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Schematische Darstellung eines Edge-Computing-Systems basierend auf monolithischer 3D-integrierter, 2D-materialbasierter Elektronik. Das System stapelt verschiedene Funktionsschichten, darunter KI-Rechenschichten, Signalverarbeitungsschichten und eine sensorische Schicht, und integriert sie in einen KI-Prozessor.

CREDIT
Sang-Hoon Bae, McKelvey School of Engineering, Washington University in St. Louis

Abstract:
Multifunktionale Computerchips haben sich weiterentwickelt, um mit integrierten Sensoren, Prozessoren, Speicher und anderen Spezialkomponenten mehr zu leisten. Mit der Erweiterung der Chips ist jedoch auch die Zeit gestiegen, die zum Übertragen von Informationen zwischen Funktionskomponenten erforderlich ist.

2D-Material formt 3D-Elektronik für KI-Hardware neu

St. Louis, MO | Gepostet am 8. Dezember 2023

„Stellen Sie sich das vor, als würden Sie ein Haus bauen“, sagte Sang-Hoon Bae, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis. „Man baut seitlich und vertikal aus, um mehr Funktion und mehr Platz für speziellere Aktivitäten zu erhalten, aber dann muss man mehr Zeit damit verbringen, sich zwischen Räumen zu bewegen oder zu kommunizieren.“

Um dieser Herausforderung zu begegnen, demonstrierten Bae und ein Team internationaler Mitarbeiter, darunter Forscher des Massachusetts Institute of Technology, der Yonsei University, der Inha University, des Georgia Institute of Technology und der University of Notre Dame, die monolithische 3D-Integration von geschichtetem 2D-Material in neuartige Verarbeitung Hardware für die Datenverarbeitung mit künstlicher Intelligenz (KI). Sie gehen davon aus, dass ihr neuer Ansatz nicht nur eine Lösung auf Materialebene für die vollständige Integration vieler Funktionen in einem einzigen kleinen elektronischen Chip bietet, sondern auch den Weg für fortschrittliches KI-Computing ebnet. Ihre Arbeit wurde am 27. November in Nature Materials veröffentlicht und als Titelartikel ausgewählt.

Der monolithische 3D-integrierte Chip des Teams bietet Vorteile gegenüber bestehenden seitlich integrierten Computerchips. Das Gerät enthält sechs atomar dünne 2D-Schichten mit jeweils eigener Funktion und erreicht eine deutlich reduzierte Verarbeitungszeit, Stromverbrauch, Latenz und Platzbedarf. Dies wird durch eine dichte Packung der Verarbeitungsschichten erreicht, um eine dichte Konnektivität zwischen den Schichten sicherzustellen. Dadurch bietet die Hardware eine beispiellose Effizienz und Leistung bei KI-Computing-Aufgaben.

Diese Entdeckung bietet eine neuartige Lösung zur Integration von Elektronik und öffnet auch die Tür zu einer neuen Ära multifunktionaler Computerhardware. Mit ultimativer Parallelität im Kern könnte diese Technologie die Fähigkeiten von KI-Systemen dramatisch erweitern und es ihnen ermöglichen, komplexe Aufgaben blitzschnell und mit außergewöhnlicher Genauigkeit zu bewältigen, sagte Bae.

„Die monolithische 3D-Integration hat das Potenzial, die gesamte Elektronik- und Computerindustrie neu zu gestalten, indem sie die Entwicklung kompakterer, leistungsstärkerer und energieeffizienterer Geräte ermöglicht“, sagte Bae. „Atomdünne 2D-Materialien sind dafür ideal, und meine Mitarbeiter und ich werden dieses Material weiter verbessern, bis wir letztendlich alle Funktionsschichten auf einem einzigen Chip integrieren können.“

Bae sagte, diese Geräte seien außerdem flexibler und funktionaler, wodurch sie für mehr Anwendungen geeignet seien.

„Von autonomen Fahrzeugen über medizinische Diagnostik bis hin zu Rechenzentren sind die Einsatzmöglichkeiten dieser monolithischen 3D-Integrationstechnologie potenziell grenzenlos“, sagte er. „Zum Beispiel kombiniert In-Sensor Computing Sensor- und Computerfunktionen in einem Gerät, anstatt dass ein Sensor Informationen erhält und diese dann an einen Computer überträgt. Dadurch können wir ein Signal empfangen und Daten direkt berechnen, was zu einer schnelleren Verarbeitung, weniger Energieverbrauch und erhöhter Sicherheit führt, da keine Daten übertragen werden.“

Kang JH, Shin H, Kim KS, Song MK, Lee D, Meng Y, Choi C, Suh JM, Kim BJ, Kim H, Hoang AT, Park BI, Zhou G, Sundaram S, Vuong P, Shin J, Choe J , Xu Z, Younas R, Kim JS, Han S, Lee S, Kim SO, Kang B, Seo S, Ahn H, Seo S, Reidy K, Park E, Mun S, Park MC, Lee S, Kim HJ, Kum HS, Lin P, Hinkle C, Ougazzaden A, Ahn JH, Kim J und Bae SH. Monolithische 3D-Integration von auf 2D-Materialien basierender Elektronik für ultimative Edge-Computing-Lösungen. Naturmaterialien. 27. November 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01704-z

Diese Arbeit wurde von der Washington University in St. Louis und ihrem Institute of Materials Science & Engineering, dem Korea Institute of Science and Technology, der National Research Foundation of Korea, der National Science Foundation und SUPREME, einem von sieben Zentren in JUMP 2.0, unterstützt , ein von DARPA gesponsertes Programm der Semiconductor Research Corp.

Ursprünglich auf der Website der McKelvey School of Engineering veröffentlicht.

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Talia Ogliore
Washington Universität in St. Louis
Büro: 314-935-2919

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