De strijd tegen de Von Neumann-flessenhals

5 oktober 2006

De smalbandige verbinding tussen processor en geheugen vormt een belemmering voor het snel heen-en-weer pompen van gegevens. Vooral voor Intel is het probleem nijpend, aangezien het bedrijf processoren gaat bouwen die één terabyte per seconde moeten kunnen verwerken. Dan is het zaak, dat die hoeveelheden gegevens op tijd beschikbaar zijn. Het aantal verbindingen tussen processor en geheugen speelt een rol, maar ook de afstand tussen de beide onderdelen. In het eerste geval geldt hoe meer hoe beter, terwijl de afstand zo kort mogelijk moet zijn.
Intel experimenteert met een techniek, waarbij halfgeleidergeheugens rechtstreeks op een processor worden aangesloten. Tijdens het Intel Developers Forum, vorige week in San Francisco, toonde Chief Technology Officer Justin Rattner een prototype van de nieuwe aanpak. Een geheugenchip wordt voorzien van een groot aantal aansluitpuntjes zodat deze aan de achterzijde van een processor bevestigd kan worden. Die processor heeft in spiegelbeeld een soortgelijke verzameling aansluitingen. Via een enkele bonding-operatie kunnen processor en geheugen tot een geheel worden verbonden.
Nieuw is hierbij de techniek die wordt gevolgd om aansluitingen door de chip heen te laten lopen. Intel noemt deze techniek Through Silicon Via (TSV) en dit kan het beste worden voorgesteld als een minuscule geleidende mijnschacht die door de chip heen loopt. Een paar duizend van die schachtjes zorgen ervoor dat signalen tussen processor en geheugen kunnen lopen.

Kinderschoenen
In zijn presentatie zei Rattner dat de techniek nog in de kinderschoenen staat. Er moet nog veel onderzoek worden gedaan om de beste methode te vinden om iedere rekenkern van een processor te voorzien van zijn eigen geheugen. Intel werkt bijvoorbeeld aan een chip met 80 kernen, en daarbij zullen 80 geheugenmodules op de juiste plaats moeten worden aangebracht. Dit betekent onder meer dat het productieproces onder zeer nauwkeurige condities moet gebeuren. Als de geheugenchip bijvoorbeeld een fractie van een graad warmer is dat de processorchip is de eerste iets meer uitgezet, waardoor de aansluitingen niet meer exact tegenover elkaar liggen.
Elk van deze geheugenchips (gebouwd volgens de SRam-techniek) heeft een capaciteit van 256 kilobyte, en niet 256 MB zoals Rattner in zijn enthousiasme eerst riep. Dat mag niet veel lijken, maar een chip met 80 kernen heeft altijd nog 20 megabyte uiterst snel geheugen tot zijn beschikking.
Intel heeft gekozen voor statische Ram (SRam), omdat dit een geheugentype is dat de firma zelf kan produceren.

Magnetisch
Waar Intel zich richt op halfgeleidergeheugens, gooien de onderzoekers van de Technische Universiteit Twente het over een andere boeg. Daar wordt gewerkt aan een directe koppeling tussen een siliciumchip en een magneetgeheugen. Eerdere pogingen om een ferromagnetische laag te verbinden met een halfgeleiderschakeling liepen op niets uit. De twee materiaalsoorten hebben dermate verschillende elektrische eigenschappen dat een directe koppeling op niets uitloopt, omdat door een directe koppeling een barrière met een zeer hoge weerstand ontstaat.
Promovendus Byoung-Chul Min heeft samen met collega’s onder leiding van dr. Ron Jansen van het MESA+ Institute for Nanotechnology van de UT een oplossing gevonden voor dit probleem. In plaats van een directe koppeling wordt gewerkt met een uiterst dunne tussenlaag bestaande uit het element gadolinium.
Onderzoekers willen per se zo’n combinatie van een halfgeleiderschakeling en een magneetgeheugen, omdat dat laatste geen vermogen nodig heeft om informatie vast te blijven houden. Alleen bij het wegschrijven van informatie is energie nodig.

Losse elektronen
De onderzoeker uit Twente hebben geëxperimenteerd met een aantal verschillende materialen, waarbij gadolinium de beste resultaten opleverde. Dit materiaal heeft ‘losse’ elektronen die makkelijk uit de stof losgemaakt kunnen worden. Een laagje met een dikte van slechts 1 nanometer bleek voldoende te zijn om magneetlaag en halfgeleider met elkaar te kunnen combineren.
Het onderzoek van de groep van Jansen is mede tot stand gekomen met financiële steun van NanoNed, het nationale nanotechnologieprogramma. De onderzoekers in Twente hebben nauw samengewerkt met een team van Sony. Door die belangstelling vanuit de industrie is de kans groter dat het werk snel leidt tot een verkoopbaar product. Evenals bij Intel zal het wel nog een paar jaar duren voordat het zover is.

 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Laat de klantenservice je terugbellen!