Lorsque Matthew Marinella a quitté un poste de chercheur aux Sandia National Laboratories pour devenir professeur agrégé de génie électrique à l’Arizona State University, il n’a pas abandonné ses liens avec Sandia.
Depuis son entrée à la faculté de Écoles d’ingénierie Ira A. Fulton de l’ASUMarinella a continué à collaborer avec Sandia sur ses recherches. Par exemple, il est le chercheur principal d’un projet visant à augmenter les performances de calcul grâce à une plus grande efficacité énergétique pour l’électronique durcie aux rayonnements, ou « rad-hard », dans le cadre de la série de recherches scientifiques Grand Challenge de Sandia. Le travail à l’ASU s’appuie sur les précédentes recherches en électronique menées par Marinella à Sandia.
Le durcissement par rayonnement est un processus qui augmente la durabilité de l’électronique utilisée dans des environnements à rayonnement élevé comme l’espace extra-atmosphérique. Cela peut permettre à des composants informatiques cruciaux, tels que ceux d’un vaisseau spatial, de fonctionner là où l’électronique ordinaire échouerait sous l’exposition aux radiations.
Les projets Grand Challenge de Sandia sont considérés comme à haut risque, à haut rendement et sont financés pour trois ans.
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“J’ai commencé à ASU en janvier 2022, venant de Sandia où nous travaillions sur un très grand projet comme celui-ci depuis plusieurs années”, explique Marinella. “Il a finalement été financé, alors bien sûr, nous espérons que ce travail mènera à de plus grands projets.”
Des collaborateurs de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université du Texas à Austin et de l’Université du Michigan sont également impliqués dans cette recherche du Grand Challenge. Le sponsor de la haute direction du projet et client stratégique de la recherche chez Sandia, Rick McCormick, affirme que les chercheurs de ces institutions ont été recrutés pour leur expertise dans les dispositifs informatiques analogiques émergents, qui sont un élément clé du projet.
Utilisé dans des environnements riches en radiations
Pour augmenter l’efficacité informatique de l’électronique durcie par rayonnement au-delà des capacités conventionnelles, l’équipe de recherche développe de nouveaux dispositifs analogiques qui utilisent une mémoire résistive à accès aléatoire, ou ReRAM, et une mémoire électrochimique à accès aléatoire, ou ECRAM. Ces dispositifs analogiques seront combinés dans des réseaux posés au-dessus de semi-conducteurs à oxyde de métal complémentaires, ou CMOS, des puces informatiques fabriquées par Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.
Une fois développés, ces dispositifs seraient ensuite utilisés dans des environnements riches en rayonnements, à la fois dans l’espace et sur Terre.
“Si vous avez vu Tchernobyl ou un endroit comme ça, vous avez des robots qui essaient d’aller à un endroit où vous ne voulez pas mettre les gens”, explique Marinella à propos des utilisations terrestres des appareils.
Les caméras satellites sont un autre exemple de ce que l’efficacité accrue du traitement pourrait faire. Les capacités des satellites sont limitées par des paramètres tels que leur taille, leur poids et la puissance de la batterie. Rendre l’informatique embarquée plus efficace, comme avec la technologie que l’équipe de Marinella développe, libérerait de l’énergie pour d’autres tâches, notamment l’augmentation de la résolution des photos satellites.
Puces de mémoire améliorant l’efficacité
Marinella dit que le ministère de la Défense s’intéresse à la technologie informatique durcie aux rayonnements, y compris pour des utilisations telles que le traitement d’images avec l’informatique de pointe. Dans l’edge computing, les données sont traitées dans un système informatique peu de temps après leur collecte, ce qui réduit le nombre de fichiers de données brutes volumineux à transférer et accélère l’échange de fichiers.
Bien que ces puces soient pour l’instant destinées à être utilisées dans des applications résistantes aux rayonnements, Marinella voit les réseaux de puces mémoire améliorant l’efficacité, combinés aux semi-conducteurs traditionnels, finir par devenir omniprésents dans l’électronique grand public.
“Ce serait la puce de votre téléphone portable, de vos véhicules autonomes et de vos systèmes de cloud computing”, dit-il.
Transférer des données entre des éléments séparés
Selon Sapan Agarwal, le chercheur principal du côté Sandia de ce projet Grand Challenge, l’intégration des dispositifs de mémoire avec des puces traditionnelles repoussera les limites au-delà de ce qui est possible avec les puces traditionnelles seules. L’efficacité de traitement des puces CMOS conventionnelles est limitée par la taille et la tension de leurs transistors.
Agarwal dit que l’un des principaux facteurs ralentissant l’informatique avec des puces conventionnelles est la nécessité de transférer des données entre des éléments séparés pour le stockage et le traitement de la mémoire. L’intégration des nouveaux dispositifs ReRAM et ECRAM de l’équipe avec des puces CMOS permettra de traiter et de stocker la mémoire en un seul endroit. Selon Agarwal, cela se traduira par des performances de calcul par watt 100 fois supérieures à ce qui est actuellement possible.
Transistors à effet de champ à ailettes
McCormick note que l’équipe expérimentera différents appareils informatiques analogiques, ce qui les aidera à déterminer celui qui convient le mieux à leurs applications. Marinella travaille également sur un projet séparé avec Hugues Barnabéun professeur de génie électrique de l’ASU, pour comprendre les effets du rayonnement sur les transistors connus sous le nom de transistors à effet de champ à ailettes, ou FinFET, qui sont plus efficaces que les transistors à nœud standard plus anciens. Bien que ce projet soit également une collaboration avec et financé par Sandia, il est distinct du travail de Marinella dans le programme Grand Challenge axé sur l’intégration de puces CMOS avec des matrices de dispositifs analogiques.
Bien que le projet Grand Challenge combinant des puces CMOS avec des dispositifs analogiques n’utilisera pas les FinFET pour la recherche, l’objectif futur de Marinella est d’utiliser les FinFET comme transistors pour les puces CMOS et les matrices analogiques intégrées si les FinFET s’avèrent tolérer assez bien les rayonnements extrêmes. environnements. La combinaison plus efficace libérerait encore plus de puissance de calcul renforcée par les radiations, rendant le système encore plus efficace que le projet actuel d’intégration de CMOS et de mémoire analogique Grand Challenge.
Contribuer au développement de technologies habilitantes clés
McCormick dit que le fait que Marinella travaille à l’ASU, après son excellent dossier d’innovation et de formation de chercheurs postdoctoraux à Sandia, place les deux institutions dans une excellente position pour les opportunités de collaboration en recherche.
“Matt nous a déjà mis en contact avec d’autres professeurs à fort impact à l’ASU et a maintenu de solides collaborations avec Sandia”, dit-il. “Nous sommes impatients de continuer à travailler avec lui et de lui faire former la prochaine génération de chercheurs de Sandia.”
Agarwal convient que le partenariat avec l’ASU est une excellente occasion d’étendre les capacités de recherche de Sandia.
“L’équipe d’ASU est au cœur de nos efforts de recherche plus larges, en aidant à développer des technologies clés et en s’associant avec nous sur notre stratégie de microélectronique émergente plus large”, a-t-il déclaré. “Chez ASU, Matt continue d’être un collaborateur essentiel.”