Neuromorphic computing heeft tot nu toe geprobeerd de synapsen tussen neuronen in de hersenen na te bootsen. Maar een nieuwe aanpak is er in plaats daarvan op gericht zich te gedragen als dendrieten, de spichtige structuren die zich vanuit de kern van een neuron vertakken, zoals de wortels van een growth. Dendrieten ontvangen signalen van andere neuronen through synapsen en zenden deze van de punt naar de stam naar de kern. Volgens een group van onderzoekers van Stanford College zouden ‘nanodendrieten’ op het gebied van computer systems op dezelfde manier kunnen functioneren.

Samenwerken met halfgeleiderfabrikant GlobalFoundriesstelden de onderzoekers in 2023 een dergelijke nanodendriet voor IEEE Internationale bijeenkomst over elektronenapparaten (IEDM) deze week. Het apparaat, een aangepast transistor, fungeert als een schakelaar die een reeks spanningspulsen van microseconden detecteert. Het wordt alleen ingeschakeld en laat stroom door, alleen als de pulsen in de juiste volgorde aankomen. Volgens Stanford-professor bio-ingenieur Kwabena BoahenDeze aanpak zou kunnen leiden tot efficiënte parallelle verwerking in de 3D-chips waar AI steeds meer van afhankelijk zal zijn. Door de dendrieten van de hersenen te emuleren, zouden deze chips minder energie verbruiken en, belangrijker nog, minder warmte genereren.

Warmte vormt een “fundamenteel probleem” in de huidige 3D-chiptechnologieën, zegt elektrotechnisch ingenieur H.-S. Philip Wong, een IEEE Fellow en hoogleraar elektrotechniek aan Stanford. De gegenereerde warmte groeit evenredig met het quantity, maar de chips dissiperen warmte met een snelheid die evenredig is met het oppervlak. Dat is de reden waarom momenteel “alle vooruitgang op het gebied van computer systems wordt beperkt door warmteafvoer”, zegt Wong.

Het probleem kan worden opgelost door de nanodendrietbenadering, suggereert Wong, omdat hierbij gebruik wordt gemaakt van spanning in discrete pulsen in plaats van continu vastgehouden niveaus. Het activeert daardoor op elk second minder draden en genereert dus minder warmte.

Een typische veldeffecttransistor bestaat uit drie aansluitingen: de supply, gate en drain. Om de lading van de bron naar de afvoer te laten bewegen, wordt er een spanning op de poort aangelegd, waardoor het elektrische veld en de geleidbaarheid van het silicium veranderen. Het Stanford-apparaat behoudt dezelfde basiselementen, maar splitst de poort van de transistor in drie delen. Het bevat ook een dunne laag van ferro-elektrisch materiaal in de meerdelige poort, waardoor de polarisatie omschakelt wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd.

Schematisch diagram van (a) een correcte pulssequentie en (b) een onjuiste pulssequentie. In de juiste volgorde worden inversiedragers geleverd vanuit de bron naar G1, vanuit de inversielaag van G1 naar G2, en vanuit de inversielaag van G2 naar G3. Bijgevolg zijn alle dipolen omgedraaid. Stanford Universiteit/GlobalFoundries

Om lading door het kanaal van de transistor te laten bewegen, moet een reeks spanningspulsen in de juiste volgorde worden afgegeven, te beginnen bij het gedeelte dat zich het dichtst bij de bron bevindt. Nadat de eerste poortsectie een puls ontvangt, stromen ladingsdragers van de bron naar deze sectie en draait de polarisatie om. De volgende puls doet hetzelfde in het middengedeelte, waardoor opladerdragers uit het eerste gedeelte worden getrokken. Vervolgens ontvangt de derde sectie een puls, waarmee het geleidingskanaal wordt voltooid.

Maar dat zal niet gebeuren als de pulsen niet in de juiste volgorde staan. Als bijvoorbeeld eerst een puls naar het middengedeelte van de poort wordt gestuurd, gevolgd door het gedeelte dat zich het dichtst bij de bron bevindt, kan het middengedeelte geen ladingsdragers uit de aangrenzende secties halen. De polarisatie ervan zal hetzelfde blijven, waardoor de vorming van een geleidend kanaal wordt belemmerd.

Omdat dit kind computergebruik afhankelijk is van een tijdsafhankelijke reeks pulsen, “hadden we een apparaat nodig dat de reeks pulsen kon onthouden”, zegt Wong. Daarom baseerden hij en Boahen het ontwerp op ferro-elektrische transistors, die eerder zijn voorgesteld als een manier om combineert geheugen en logica in neuromorfe chips. Het ferro-elektrische materiaal zorgt voor geheugen in zijn polarisatie, dat omdraait wanneer de poort een spanningspuls ontvangt; Vervolgens handhaaft het die polarisatie totdat het een nieuwe puls ontvangt, legt het uit Hugo Cheneen promovendus die wordt geadviseerd door Wong en de paper maandag presenteerde bij IEDM.

Hoewel de huidige versie van het gepresenteerde apparaat een driedelige poort bevat – de eenvoudigste versie van een dendrietachtige structuur – wil het Stanford-team in de toekomst verdere segmentatie introduceren. Het toevoegen van meer poortpartities verhoogt de weerstand, merkt Chen op, hoewel dit waarschijnlijk geen probleem zal zijn, aangezien de apparaten zullen worden gebouwd om parallelle verwerking mogelijk te maken.

Voor het bouwen van de 3D-apparaten zijn ook nieuwe processen nodig. Deze chips zouden bijvoorbeeld bij een lage temperatuur moeten worden vervaardigd, zegt Wong, eraan toevoegend dat “hoe je zo’n systeem in 3D kunt bouwen nog steeds een relevante onderzoeksvraag is.”