Ученые создали умный транзистор, который сам подстраивается под скорость данных
Исследователи Корейского института передовых технологий KAIST разработали программируемый полупроводниковый элемент, способный аппаратно подстраивать скорость реакции под темп поступающих данных. Технология может стать основой более энергоэффективных ИИ-чипов для роботов, беспилотных автомобилей, носимой электроники и других устройств, которым приходится обрабатывать информацию в реальном времени.
Новый мемтранзистор может снизить энергопотребление ИИ-чипов
Новый компонент получил название PDM (Programmable Dynamic Memtransistor) — программируемый динамический мемтранзистор. Он сочетает функции транзистора и элемента памяти: выполняет вычисления и одновременно сохраняет заданные характеристики без постоянной подачи питания.
Главное отличие PDM от обычных полупроводниковых компонентов заключается в возможности программировать скорость его реакции на входной сигнал. У традиционного элемента характеристики фиксированы после производства, а PDM можно настроить на работу с быстро или медленно меняющимися данными.
Для систем, работающих с информацией из реального мира, это особенно важно. Например, датчики робота могут одновременно фиксировать резкое движение, продолжающееся доли секунды, и медленное изменение положения объекта. Обычным системам приходится компенсировать такую разницу программными методами, что увеличивает вычислительную нагрузку и энергопотребление.
В PDM эту задачу частично перенесли непосредственно на аппаратный уровень. В структуре транзистора используются два функциональных слоя: один отвечает за накопление и обработку электрического заряда, а второй захватывает электроны и определяет, насколько быстро устройство возвращается в исходное состояние после получения сигнала.
Изменяя характеристики слоя захвата электронов, исследователи смогли регулировать время восстановления тока примерно в пятикратном диапазоне. При этом характерную рабочую частоту элемента удалось изменять более чем в десять раз.
Настройки PDM при этом сохраняются без постоянного энергоснабжения. После программирования мемтранзистор продолжает работать с заданной скоростью реакции, поэтому часть адаптации к характеру данных можно выполнять без участия программного обеспечения.
Во время испытаний PDM использовали для обработки временных рядов, содержащих одновременно быстрые и медленные изменения. В отдельных тестах ошибка прогнозирования оказалась до 40 раз ниже, чем у традиционного полупроводникового элемента с фиксированной скоростью реакции.
Исследователи также создали массив из нескольких PDM, настроенных на разные временные характеристики. Благодаря этому система могла параллельно анализировать сигналы, изменяющиеся с разной скоростью, и извлекать информацию сразу в нескольких временных масштабах.
По данным KAIST, экспериментальный массив приблизился по точности к традиционным системам, выполняющим аналогичный анализ программными методами, но при значительно меньшем энергопотреблении. При этом точные показатели расхода энергии в представленном описании работы не приводятся.
Работу технологии проверили на данных рукописного ввода и движении объектов с разной скоростью. PDM способен изменять собственные характеристики в зависимости от динамики входного сигнала.
Разработка создана командой KAIST при участии исследователей Semiconductor R&D Center компании Samsung Electronics. Авторы отмечают, что PDM совместим с материалами, уже применяемыми в современной полупроводниковой промышленности, что потенциально может упростить его дальнейшее внедрение в производство.