Nell’era dei big data e dell’intelligenza artificiale, è emerso un nuovo approccio per la risoluzione dei problemi di ottimizzazione combinatoria, che consiste nel trovare la soluzione più efficiente tra molte opzioni possibili e che altrimenti richiederebbe migliaia di anni di calcolo.
Un team di ricerca del KAIST ha sviluppato hardware computazionale che può essere implementato interamente utilizzando i processi di fabbricazione del silicio esistenti, consentendo l’utilizzo sulle linee di produzione attuali senza la necessità di strutture aggiuntive. Si prevede che ciò consentirà un processo decisionale più rapido e accurato in diversi settori, tra cui la logistica, la finanza e la progettazione di semiconduttori.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science Advances .
Realizzazione di una macchina di Ising su silicio
Il team di ricerca congiunto guidato dal professor Yang-Kyu Choi e dalla professoressa Sanghyeon Kim della Facoltà di Ingegneria Elettrica ha realizzato una macchina di Ising oscillatoria (un computer specializzato in cui più elementi oscillanti interagiscono per trovare soluzioni ottimali), un hardware di ottimizzazione specializzato di nuova generazione, utilizzando esclusivamente processi convenzionali di produzione di semiconduttori al silicio.
Il team di ricerca si è concentrato su oscillatori che ripetono periodicamente segnali elettrici. Man mano che più oscillatori si scambiano segnali e sincronizzano i loro ritmi, il sistema raggiunge naturalmente lo stato più stabile e, in questo processo, trova la soluzione ottimale.
Le macchine di Ising oscillanti convenzionali presentano limitazioni nella risoluzione di problemi complessi, poiché è difficile controllare con precisione le lievi differenze di frequenza tra gli oscillatori e la connettività tra gli elementi è limitata.
Per ovviare a questo problema, il team di ricerca ha introdotto un nuovo approccio in cui sia gli oscillatori che gli accoppiatori sono realizzati utilizzando singoli transistor al silicio, che rappresentano gli elementi di commutazione fondamentali dei semiconduttori.
Grazie a questo approccio, hanno ridotto le deviazioni di frequenza tra gli oscillatori, consentendo una sincronizzazione stabile, e, utilizzando degli accoppiatori, hanno implementato un accoppiamento multilivello, permettendo una riflessione più precisa dei pesi del problema.
Di conseguenza, sia la capacità di rappresentare problemi di ottimizzazione complessi sia le prestazioni della ricerca di soluzioni sono state notevolmente migliorate. Grazie a questa tecnologia, il team di ricerca è riuscito a risolvere il problema di ottimizzazione combinatoria rappresentativo noto come problema Max-Cut, che consiste nel dividere una rete in due gruppi per massimizzare le connessioni.
Questo problema può essere applicato direttamente a diversi settori industriali, come l’ottimizzazione dei percorsi logistici, la costruzione di portafogli finanziari e il posizionamento dei circuiti a semiconduttore.
Impatto sul settore e potenziale di commercializzazione
Un vantaggio fondamentale di questo approccio è che utilizza il processo CMOS attualmente impiegato nell’industria dei semiconduttori senza richiedere materiali speciali o processi non standard. Pertanto, la tecnologia è adatta alla produzione di massa e alla commercializzazione sulle linee di produzione di semiconduttori esistenti senza ulteriori investimenti in impianti.
Il professor Yang-Kyu Choi ha affermato: “Questa ricerca presenta un hardware per macchine di Ising oscillanti che garantisce sia scalabilità che precisione implementando oscillatori e accoppiatori con dispositivi al silicio.
“Si prevede che troverà applicazione in diversi settori industriali che richiedono un’ottimizzazione combinatoria su larga scala, come l’automazione della progettazione di semiconduttori, l’ottimizzazione delle reti di comunicazione e l’allocazione delle risorse.”
Ha inoltre osservato che, man mano che la miniaturizzazione dei transistor si avvicina ai suoi limiti fisici e richiede sempre più un controllo a livello atomico, il nostro gruppo ha trascorso l’ultimo decennio a esplorare se il futuro dei transistor debba estendersi oltre la semplice miniaturizzazione, puntando alla scoperta di nuove funzioni.
Riformulare la storia dei transistor
Il futurista Alvin Toffler ha notoriamente suddiviso lo sviluppo della società in tre fasi, descrivendo la transizione moderna verso una società basata sulla conoscenza come la Terza Onda. Allo stesso modo, anche la storia della tecnologia dei transistor, che si estende ormai per oltre 80 anni, può essere vista in tre fasi. Nel 1935, Oskar Heil propose, in un brevetto britannico, il concetto di controllo della corrente dei semiconduttori tramite un campo elettrico.
Nel 1946, William Shockley sviluppò il primo transistor a stato solido, un risultato che gli valse in seguito il Premio Nobel. Nel 1961, Dawon Kahng inventò il moderno transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore, o MOSFET, che rimane il fondamento dei dispositivi a semiconduttore prodotti in serie oggi.
Da questa prospettiva, la prima ondata della tecnologia dei transistor può essere definita come l’interruttore, e la seconda come l’amplificatore. Il nostro laboratorio propone una terza ondata di recente identificazione: il transistor come oscillatore.
Per decenni, il progresso nel campo dei semiconduttori è stato in gran parte guidato dal miglioramento delle prestazioni di commutazione e amplificazione dei transistor attraverso la miniaturizzazione.
Tuttavia, poiché la fabbricazione dei dispositivi richiede ormai una precisione a livello atomico, i limiti fisici della miniaturizzazione stanno diventando sempre più evidenti. I transistor del futuro richiedono quindi un cambio di paradigma fondamentale: da un’ulteriore miniaturizzazione alla realizzazione di nuove funzioni.
Il maggiore significato tecnologico di questo lavoro risiede nella dimostrazione dell’oscillatore come terza funzione fondamentale del transistor. A riprova di questo concetto, abbiamo realizzato sperimentalmente una macchina di Ising fisica funzionante a temperatura ambiente.
by 