EPFL 的研究人員利用MoS2 創造出了一種高能效記憶體處理器，它由1000 多個電晶體組合而成。這種處理器能有效率地執行向量矩陣乘法運算，代表傳統馮-諾依曼架構的轉變，並能促進歐洲半導體產業的發展。

由EPFL 研究人員開發的首個使用二維半導體材料的大規模記憶體處理器可大幅減少資訊和通訊技術領域的能源消耗。

當資訊和通訊技術（ICT）處理資料時，它們會將電能轉化為熱能。如今，全球ICT 生態系統的二氧化碳排放量已與航空業不相上下。然而，事實證明，電腦處理器消耗的大部分能源並非用於執行計算。相反，處理資料所消耗的大部分能源用於在記憶體和處理器之間傳輸位元組。

在11月13日發表在《自然-電子學》（Nature Electronics）雜誌上的一篇論文中，EPFL工程學院奈米電子學和結構實驗室（LANES）的研究人員介紹了一種新型處理器，這種處理器將資料處理和儲存整合到一個裝置上，即所謂的記憶體處理器，從而解決了這種低效率問題。他們在二維半導體材料的基礎上創造了第一個由1000 多個電晶體組成的記憶體處理器，開闢了新的領域，這是通往工業化生產道路上的一個重要里程碑。

在發表於《自然-電子學》（Nature Electronics）雜誌上的一篇論文中，EPFL 工程學院奈米電子學與結構實驗室（LANES）的研究人員介紹了一種新型處理器，這種處理器將資料處理和儲存整合到一個裝置上，即所謂的記憶體處理器，從而解決了效率低下的問題。他們在二維半導體材料的基礎上創造了第一個由1000多個電晶體組成的記憶體處理器，開闢了新的領域，這是通往工業化生產道路上的一個重要里程碑。圖片來源：2023 EPFL / Alan Herzog

馮-紐曼的遺產

領導這項研究的安德拉什-基斯（Andras Kis）認為，當今CPU 效率低下的罪魁禍首源自於普遍採用的馮諾依曼架構。具體來說，就是將用於執行計算和儲存資料的元件物理分離。由於這種分離，處理器需要從記憶體中檢索資料來執行計算，這需要移動電荷、對電容器充電和放電以及沿線傳輸電流，所有這些都會耗散能量。

直到20 年前，這種架構還是合理的，因為資料儲存和處理需要不同類型的設備。但是，馮-諾依曼架構正日益受到更有效率替代方案的挑戰。基斯解釋說：”如今，人們正在努力將儲存和處理合併成一種更通用的記憶體處理器，這種處理器包含的元件既可以用作記憶體，也可以用作晶體管。他的實驗室一直在探索如何利用二硫化鉬（MoS2）這種半導體材料來實現這一目標。”

新型二維處理器架構

在他們的《自然-電子學》論文中，LANES 的博士助理Guilherme Migliato Marega 和他的合著者介紹了一種基於MoS2 的記憶體處理器，專門用於資料處理中的基本操作之一：向量矩陣乘法。這種運算在數位訊號處理和人工智慧模型的實施中無所不在。提高其效率可為整個資訊和通訊技術領域節省大量能源。

他們的處理器將1024 個元素組合在一厘米見方的晶片上。每個元件包括一個二維MoS2 電晶體和一個浮動閘極，浮動閘極用於在記憶體中儲存電荷，從而控制每個電晶體的導電性。以這種方式將處理和記憶體耦合在一起，從根本上改變了處理器進行計算的方式。基斯解釋說：”透過設定每個電晶體的電導率，我們只需向處理器施加電壓並測量輸出，就能執行類比向量矩陣乘法運算。”

邁向實際應用一大步

在開發記憶體處理器的過程中，材料MoS2 的選擇扮演了至關重要的角色。首先，MoS2 是一種半導體，這是開發電晶體的必要條件。與當今電腦處理器中使用最廣泛的半導體矽不同，MoS2 形成了一個穩定的單層，只有三個原子厚，只與周圍環境發生微弱的相互作用。它的薄度為生產極其緊湊的設備提供了可能。最後，這是一種Kis 實驗室非常熟悉的材料。2010 年，他們利用從晶體上剝離的單層MoS2 材料，並用蘇格蘭膠帶製作了第一個單層MoS2 電晶體。

在過去的13 年中，他們的工藝已日趨成熟，而米利亞托-馬雷加（Migliato Marega）的貢獻功不可沒。”從單一電晶體到超過1000 個電晶體，關鍵的進步在於我們能夠沉積的材料品質。經過大量的製程優化，我們現在可以生產覆蓋著一層均勻的MoS2 的整個晶片。這使我們能夠採用行業標準工具在電腦上設計積體電路，並將這些設計轉化為物理電路，從而為大規模生產打開大門，」基斯說。

振興歐洲晶片製造業

除了純粹的科學價值外，Kis 還認為這項成果證明了瑞士與歐盟之間緊密科學合作的重要性，特別是在旨在加強歐洲在半導體技術和應用方面的競爭力和適應力的《歐洲晶片法案》背景下。「歐盟的資助對這個計畫和先前的計畫都至關重要，包括資助第一個MoS2電晶體的工作，這表明歐盟的資助對瑞士是多麼重要，」基斯說。”同時，這也顯示了瑞士所做的工作如何能讓歐盟在重振電子製造的過程中受益。例如，歐盟可以專注於開髮用於人工智慧加速器和其他新興應用的非馮諾依曼處理架構，而不是與其他人進行同樣的競賽。透過定義自己的競賽，歐盟可以搶佔先機，確保在未來佔據有利地位。”