Rozwój przełomowej i energooszczędnej sztucznej inteligencji z innowacyjną technologią ferroelektryczn�

Synergie i komplementarne kompetencje łączące konsorcja ViTFOX UE i Korei. © ETH Zürich / Synergies and complementary competences uniting ViTFOX EU and Korean consortia. © ETH Zürich

Partner w konsorcjum projektu ViTFOX. © ETH Zürich / Partnerzy konsorcjum w projekcie ViTFOX. © ETH Zürich

Gdy sztuczna inteligencja (SI) coraz częściej znajduje zastosowanie w sektorach takich jak opieka zdrowotna, autonomiczna jazda i inteligentne miasta, tradycyjne architektury komputerowe napotykają poważne ograniczenia pod względem szybkości przetwarzania i efektywności energetycznej. Projekt „ViTFOX” łączy osiem partnerów z Europy i Korei, aby opracować przełomową architekturę Vision-Transformer opartą na ferroelektrycznym tlenku, która umożliwi znaczne zmniejszenie zużycia energii i opóźnień. W przeciwieństwie do tradycyjnych architektur, które często opierają się na oddzielnych jednostkach pamięci i przetwarzania, ViTFOX ma na celu integrację przetwarzania danych bezpośrednio w pamięci, osiągając w ten sposób poprawioną efektywność energetyczną na poziomie 50 TOPS/W. Unia Europejska wspiera ten projekt kwotą 1,5 miliona euro.

Tradycyjne architektury komputerowe są ograniczone w radzeniu sobie z ogromnymi ilościami danych, które pojawiają się w dzisiejszym cyfrowym krajobrazie, pod względem szybkości przetwarzania i efektywności energetycznej. Systemy neuromorficzne, czyli takie, które naśladują działanie ludzkiego mózgu, wykorzystują specjalistyczny sprzęt, taki jak ferroelektryczne urządzenia, aby wykonywać obliczenia bardziej efektywnie i umożliwić przetwarzanie w czasie rzeczywistym oraz podejmowanie decyzji. To podejście zwiększa nie tylko wydajność aplikacji SI, takich jak rozpoznawanie obrazów i przetwarzanie języka naturalnego, ale także obniża zużycie energii, czyniąc je rozwiązaniem zrównoważonym dla przyszłych technologii.

Projekt ViTFOX jest na czele działań mających na celu rozwój energooszczędnych neuromorficznych systemów obliczeniowych wspierających SI. Kluczowym elementem projektu jest architektura Vision-Transformer (ViT), która ma wykonywać złożone obliczenia SI przy mniejszym zużyciu energii. Vision Transformers to rodzaj architektury sieci neuronowych, które skuteczniej przetwarzają dane wizualne niż tradycyjne metody. Projekt ma na celu opracowanie ViT, który będzie wykorzystywał ferroelektryczne materiały tlenkowe, aby osiągnąć niezwykłą efektywność energetyczną przekraczającą 50 TOPS/W. Ten próg jest kluczowy dla aplikacji SI na urządzeniach brzegowych. „Chcemy poszerzyć granice obecnej technologii, opracowując platformy do kooperatywnej optymalizacji sprzętu i oprogramowania, nowatorskie materiały i metody integracji. Mogą one nie tylko poprawić wydajność SI, ale także zapewnić zrównoważone zużycie energii” – mówi prof. dr Thomas Kämpe, kierownik projektu w Fraunhofer IPMS, jednym z partnerów konsorcjum. „Chcemy wnieść istotny wkład w przemysł półprzewodników, rozwiązując zarówno techniczne wyzwania nowych technologii pamięci, jak i społeczne potrzeby efektywnych rozwiązań komputerowych” – dodaje.

Współpraca Europy i Korei w celu znacznego podniesienia poziomu technologii

Całe konsorcjum ViTFOX składa się z ośmiu partnerów z wiodących instytucji badawczych, uniwersytetów i laboratoriów rozwoju technologii z Europy i Korei. Projekt ma na celu wzmocnienie wiodącej pozycji UE i Korei w dziedzinie ferroelektrycznej elektroniki kompatybilnej z krzemem opartych na hafnionie. Obszar ten już od dawna jest pionierski w Europie i cieszy się dużym zainteresowaniem koreańskich naukowców. Projekt będzie rozwijał technologię wykraczającą poza obecny stan, obejmując cały łańcuch wartości od materiałów i elementów, przez integrację heterogeniczną i monolityczną, aż po projektowanie i symulację układów i systemów ViT. Jest to szczególnie istotne, ponieważ korzysta z najnowszych postępów w ferroelektrycznych materiałach, zwłaszcza hafnionie-zirkoniowym tlenku (HZO). Ze względu na swoją kompatybilność z tradycyjnymi elementami krzemowymi, stanowi obiecującą metodę poprawy elementów pamięci i redukcji zużycia energii.

Trzy z celów projektu koncentrują się na rozwoju i produkcji głównych komponentów ViT. Planowane jest stworzenie demonstratora obliczeń w pamięci, symulatora na poziomie układów oraz platformy do wspólnej optymalizacji sprzętu i oprogramowania z ferroelektrycznymi tlenkami. Platforma będzie obsługiwać dwa rodzaje nowych pamięci: wysokiej gęstości 3D FeRAM opracowaną w Korei oraz epitaksiczne ferroelektryczne połączenia tunelowe rozwijane w Europie. Ścisła współpraca umożliwi partnerom połączenie wiedzy z zakresu nauki o materiałach, technologii półprzewodników i sztucznej inteligencji, aby poszerzyć granice tego rozwijającego się obszaru. Więcej informacji o współpracy można znaleźć na oficjalnej stronie projektu www.vitfox.eu.

Fraunhofer IPMS w projekcie

Fraunhofer IPMS jest kluczowym partnerem w projekcie ViTFOX, wnoszącym swoje bogate doświadczenie w systemach neuromorficznych i technologiach półprzewodnikowych. Skupia się na rozwoju zaawansowanych materiałów i urządzeń do neuromorficznych zastosowań komputerowych, szczególnie z wykorzystaniem ferroelektrycznych materiałów. W zakres działań wchodzi projektowanie i testowanie innowacyjnych ferroelektrycznych przejść tunelowych (FTJ) oraz integracja tych elementów w funkcjonalne prototypy. Dzięki wykorzystaniu swojego nowoczesnego laboratorium czystego pomieszczenia, Fraunhofer IPMS ułatwi skalowanie i optymalizację ferroelektrycznych technologii, zapewniając spełnienie rygorystycznych wymagań dla energooszczędnych systemów komputerowych.

Partnerzy projektu:

– ETH Zürich
– Silicon Austria Labs
– Narodowe Centrum Badań Naukowych Demokritos
– Uniwersytet Seulski
– Uniwersytet Hanyang (Korea)
– Kookmin University
– Uniwersytet Soongsil