Vývoj průlomové a energeticky efektivní AI s inovativní ferroelektrickou technologií

Synergie a komplementární kompetence spojující konsorcia ViTFOX EU a Koreje. © ETH Zürich / Synergie a komplementární kompetence spojující konsorcia ViTFOX EU a Korejské konsorcium. © ETH Zürich

Partner ve konsorciu projektu ViTFOX. © ETH Zürich / partneři konsorcia v projektu ViTFOX. © ETH Zürich

Jak se umělá inteligence (AI) stále více uplatňuje v sektorech jako zdravotnictví, autonomní řízení a chytrá města, narazí tradiční počítačové architektury na značné limity v rychlosti zpracování a energetické účinnosti. Projekt »ViTFOX« spojuje osm partnerů z Evropy a Koreje, aby vyvinuli průlomovou architekturu Vision-Transformer založenou na ferroelektrickém oxidu, která umožní výrazné snížení spotřeby energie a latence. Na rozdíl od běžných architektur, které často spočívají na oddělených paměťových a výpočetních jednotkách, si ViTFOX klade za cíl integrovat zpracování dat přímo do paměti a tím dosáhnout vylepšené energetické účinnosti 50 TOPS/W. Evropská unie projekt podporuje částkou 1,5 milionu eur.

Tradiční počítačové architektury jsou omezené v zvládání obrovského množství dat, která dnešní digitální prostředí generuje, pokud jde o rychlost zpracování a energetickou účinnost. Neuromorfní systémy, tedy systémy napodobující fungování lidského mozku, využívají specializovaný hardware, například ferroelektrické zařízení, k efektivnějším výpočtům a umožnění zpracování v reálném čase a rozhodování. Tento přístup nejen zvyšuje výkon AI aplikací jako rozpoznávání obrázků a zpracování přirozeného jazyka, ale také snižuje spotřebu energie, což z něj činí udržitelné řešení pro budoucí technologie.

Projekt ViTFOX stojí v čele snah o posun AI dopředu prostřednictvím vývoje energeticky efektivních neuromorfných výpočetních systémů. Klíčovým prvkem projektu je architektura Vision-Transformer (ViT), která má provádět složité AI výpočty s nižší spotřebou energie. Vision Transformers jsou typ neuronové sítě, která efektivněji zpracovává vizuální data než tradiční metody. Cílem je vyvinout ViT, který využívá ferroelektrické oxidové materiály k dosažení mimořádné energetické účinnosti přes 50 TOPS/W. Tento práh je klíčový pro AI založené edge aplikace. „Chceme posunout hranice současných technologií tím, že budeme vyvíjet platformy pro ko-optimální hardware a software, inovativní materiály a metody integrace. Ty nejen zlepší výkon AI, ale také zajistí udržitelnou spotřebu energie,“ říká profesor Dr. Thomas Kämpe, vedoucí projektu na Fraunhofer IPMS, jednom z partnerů konsorcia. „Chceme významně přispět k průmyslu polovodičů tím, že budeme řešit technické výzvy nových paměťových technologií i společenskou potřebu efektivních počítačových řešení,“ dodává.

Spolupráce Evropy a Koreje pro výrazné zlepšení stavu techniky

Celkově je konsorcium ViTFOX složeno ze osmi partnerů z předních výzkumných institucí, univerzit a vývojových laboratoří z Evropy a Koreje. Projekt si klade za cíl posílit vedoucí postavení EU a Koreje v oblasti silikonu kompatibilní ferroelektrické elektroniky na hafniové bázi. Tento obor již v Evropě zaznamenal mnoho průkopnických úspěchů a nyní vzbudil velký zájem korejských vědců. Projekt posune technologie dále, od materiálů a součástek přes heterogenní a monolitickou integraci až po návrh a simulaci ViT obvodů a systémů. Jeho význam je zvlášť velký, neboť těží z nejnovějších pokroků v ferroelektrických materiálech, zejména hafnium-zirkoničitém oxidu (HZO). Vzhledem k jeho kompatibilitě s běžnými silikonovými součástkami představuje slibný přístup ke zlepšení paměťových prvků a snížení spotřeby energie.

Tři z cílů projektu jsou zaměřeny na vývoj a výrobu hlavních komponent ViT. Plánuje se demonstrátor výpočtu v paměti, simulátor na úrovni obvodů a platforma pro společnou optimalizaci hardwaru a softwaru s ferroelektrickými oxidy. Tato platforma bude podporovat dva typy nových pamětí: vysoce hustou 3D FeRAM vyvinutou v Koreji a epitaktické ferroelektrické tunelové spoje vyvinuté v Evropě. Úzká spolupráce umožní partnerům spojit své znalosti v oblastech materiálových věd, polovodičové technologie a umělé inteligence a posunout hranice tohoto rozvíjejícího se oboru. Další informace o spolupráci jsou k dispozici na oficiální webové stránce projektu www.vitfox.eu.

Fraunhofer IPMS v projektu

Fraunhofer IPMS je klíčovým partnerem v projektu ViTFOX a přináší své rozsáhlé znalosti v oblasti neuromorfních systémů a polovodičových technologií. Zaměřuje se na vývoj pokročilých materiálů a zařízení pro neuromorfní počítačové aplikace, zejména s využitím ferroelektrických materiálů. To zahrnuje návrh a testování inovativních ferroelektrických tunelových přechodů (FTJs) a integraci těchto prvků do funkčních prototypů. Prostřednictvím svého špičkového čistého prostoru chce Fraunhofer IPMS usnadnit škálování a optimalizaci ferroelektrických technologií a zajistit, že splní přísné požadavky na energeticky efektivní počítačové systémy.

Partneři projektu:

– ETH Zürich
– Silicon Austria Labs
– Národní centrum vědeckého výzkumu Demokritos
– Seoul National University
– Hanyang University (Korea)
– Kookmin University
– Soongsil University