Por primera vez en el mundo, la tecnología integrada puede acelerar el sistema informático de IA.

Un equipo de investigación de la Universidad de Fudan, con sede en Shanghai, ha desarrollado el primer chip flash 2D del mundo con todas las funciones habilitadas mediante integración de sistemas, lo que marca un hito en la ingeniería de dispositivos electrónicos 2D.

Este avance integra el dispositivo de memoria flash 2D ultrarrápido con un semiconductor de óxido metálico complementario basado en silicio maduro, o tecnología CMOS, proporcionando un modelo para acelerar la transición de dispositivos disruptivos de próxima generación de la investigación a la aplicación y ofreciendo un sólido apoyo para avanzar la tecnología de la información hacia una nueva era de alta velocidad.

El chip admite operaciones de instrucción de ocho bits, operaciones paralelas de alta velocidad de 32 bits y acceso aleatorio, alcanzando un rendimiento de celda de memoria del 94,3%. Su velocidad de operación supera la tecnología de memoria flash actual, lo que marca la primera realización de ingeniería de un chip flash híbrido 2D-silicio, según los científicos.

El miércoles se publicó en la revista Nature un artículo con detalles de los resultados de la investigación.

En la era de la inteligencia artificial, las demandas de un acceso más rápido a los datos han crecido drásticamente, mientras que la velocidad limitada y el consumo de energía de las tecnologías de memoria tradicionales se han convertido en cuellos de botella en el sistema informático de IA.

En abril, el mismo equipo presentó el prototipo de memoria flash PoX 2D en Nature, logrando una velocidad de programa sin precedentes de 400 picosegundos, la tecnología de almacenamiento de carga de semiconductores más rápida hasta la fecha.

Sin embargo, el proceso de industrialización de innovaciones disruptivas para aplicaciones a nivel de sistema suele ser prolongado. El equipo del Laboratorio Estatal Clave de Chips y Sistemas Integrados de la Universidad de Fudan, así como de la Facultad de Circuitos Integrados y Micronanoelectrónica, integró estratégicamente su tecnología flash 2D en la plataforma CMOS de la industria, lo que permitió convertir el concepto de dispositivo electrónico 2D en una aplicación de sistema compleja.

«Desde el primer prototipo de transistor semiconductor hasta la primera CPU transcurrieron aproximadamente 24 años. Sin embargo, al integrar tecnologías emergentes en la plataforma CMOS existente, el proceso de nuestra investigación se simplifica considerablemente. Podemos acelerar aún más la exploración de aplicaciones disruptivas en el futuro», afirmó Liu Chunsen, primer autor y autor correspondiente del artículo.

Zhou Peng, otro autor correspondiente del artículo e investigador principal del equipo, dijo que creían que los dispositivos de almacenamiento probablemente serían el primer tipo de dispositivos electrónicos 2D en industrializarse debido a sus modestas demandas en cuanto a calidad de los materiales y procesos de fabricación, junto con métricas de rendimiento que superan ampliamente las tecnologías actuales.

Los científicos explicaron que los chips de los que se habla hoy en día están hechos principalmente de silicio. Los materiales de silicio y los materiales 2D son muy diferentes, ya que las obleas de silicio suelen tener cientos de micrómetros de espesor, mientras que los materiales semiconductores 2D tienen un espesor atómico, equivalente a menos de un nanómetro.

Un desafío fundamental para el equipo fue integrar los materiales 2D con la tecnología CMOS sin comprometer el rendimiento. La superficie de un circuito CMOS es bastante rugosa debido a los componentes subyacentes, mientras que los materiales semiconductores 2D tienen un grosor de tan solo 1 a 3 átomos. Estos materiales pueden romperse fácilmente si se colocan directamente sobre circuitos CMOS.

«Es como ver Shanghái desde el espacio. Parece plana, pero dentro de la ciudad hay edificios de diferentes alturas: más de 400 metros, 100 metros o tan solo unas pocas decenas de metros. Si se extiende una película delgada sobre la ciudad, esta no sería plana», afirmó Zhou, añadiendo que esto explica por qué, hasta ahora, los investigadores de semiconductores 2D de todo el mundo solo pueden procesar materiales sobre sustratos nativos extremadamente planos.

En su investigación, el equipo decidió comenzar con materiales 2D que poseen un cierto grado de flexibilidad. Mediante un enfoque de integración modular, los científicos fabricaron los circuitos de memoria 2D en los circuitos CMOS maduros y utilizaron tecnología de interconexión monolítica de alta densidad para la comunicación entre los diferentes módulos. Este innovador proceso central permite el acoplamiento estrecho de materiales 2D con sustratos CMOS a escala atómica.

El equipo de investigación afirmó que el chip recién desarrollado ha completado con éxito el proceso de producción. Para el siguiente paso, los investigadores planean establecer una línea de producción piloto y colaborar con instituciones relevantes para desarrollar un proyecto de ingeniería, con el objetivo de integrarlo a escala de megabytes en los próximos tres a cinco años.

Los expertos señalaron que el actual obstáculo para los sistemas de IA se está desplazando de la capacidad de procesamiento front-end al almacenamiento y los datos back-end, y que los modelos futuros serán cada vez más grandes. Algunos expertos del sector expresaron optimismo respecto a que este logro pasará del laboratorio a las aplicaciones a gran escala a un ritmo más acelerado, integrándose en escenarios como ordenadores personales y dispositivos móviles.

«Esta investigación representa una ‘tecnología fuente’ en el campo de circuitos integrados de China, permitiendo al país tomar la iniciativa en tecnologías de almacenamiento central de próxima generación», afirmó Zhou.