Компьютеры, построенные на основе классической архитектуры фон Неймана, производят обработку данных при помощи центрального процессора, а исходные данные и результаты расчетов хранятся в других местах — в оперативной памяти, на жестком или твердотельном диске. Такая архитектура используется уже в течение нескольких десятилетий, но ее никак нельзя назвать оптимальной и эффективной из-за наличия так называемых узких мест.
Самым известным узким местом, ограничивающим быстродействие современных компьютеров, является интерфейс между процессором и памятью, эта шина имеет ограниченную пропускную способность и в моменты высокой вычислительной нагрузки процессоры вынуждены «накручивать холостые циклы», теряя время и ожидая освобождения шины. Этого недостатка полностью лишен самый мощный компьютер естественного происхождения — головной мозг, состоящий из нейронов, способных одновременно хранить и обрабатывать информацию.
За последние годы ученые и инженеры добились достаточно значительных успехов в деле подражания функционированию головного мозга, используя архитектуру «вычислений в памяти» реализованную на основе мемристорных ячеек. Эти ячейки, подобно нейронам, также способны хранить и обрабатывать информацию, что освобождает такие процессоры от постоянной необходимости в перемещении данных, на что расходуется достаточно большое количество времени и энергии.
И не так давно ученые из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) разработали и изготовили прототип нового процессора, в котором архитектура «вычислений в памяти» реализована при помощи совершенно нового подхода. А основой всего этого стал условно двухмерный материал — дисульфид молибдена (молибденит, MoS2), который уже давно фигурирует в роли одного из самых основных альтернативных материалов для электроники.
Толщина одного слоя молибденита составляет всего три атома. Этот материал является превосходным полупроводником и имеет огромный потенциал для миниатюризации электронных устройств и компонентов, в которых он применяется.
Основой нового процессора являются не мемристоры, а так называемые полевые транзисторы с плавающим затвором (floating-gate field-effect transistor, FGFET). Такие транзисторы, способные хранить электрический заряд в течение долгого времени, уже широко используются в энергонезависимой флэш-памяти, которая имеется в любом компьютере, мобильном телефоне, фото- и видеокамере. Элементы из дисульфида молибдена обладают чувствительностью по отношению к электрическим зарядам, хранящимся в FGFET-транзисторах, и за счет этого они могут выполнять одновременно функцию хранения и логической обработки информации.
«Первый экспериментальный чип с подобной ячейкой памяти-логики мы держали в руках еще десять лет назад» — рассказывает Андрас Кис (Andras Kis), ведущий исследователь, — «Сейчас мы уже способны изготовить за один проход схему, содержащую до 80 таких ячеек, которые имеют набор строго заданных параметров. Это открывает путь к созданию вычислительных устройств меньших размеров, обладающих высокой вычислительной мощностью и демонстрирующих высочайшую энергетическую эффективность».