Tampereen yliopisto, SemiQon ja suomalais-taiwanilainen konsortio saivat 3,1 miljoonan euron SHIFT-hankkeen vähävirtaisten muistien skaalaamiseen dataintensiiviseen laskentaan 

Suomalainen konsortio yhdistää ihanteellisella tavalla akateemisen tutkimuksen, pk-yrityssektorin sekä puolijohdealan markkinajohtajan. Tämä mahdollistaa nopean kehityskaaren erinomaisista ideoista kohti integroituja ratkaisuja ja valmiita kaupallisia tuotteita. Taiwanilaiset kumppanit tuovat lisäksi mukanaan suuren volyymin valmistus- ja paketointiosaamista, mikä on ratkaisevan tärkeää skaalaus- ja valmistushaasteiden selättämisessä lyhyessä ajassa.

Sayani Majumdar, apulaisprofessori, Tampereen yliopisto

Haasteena ”muistimuuri” ja datakeskusten energiakriisi 

Nykyaikainen tietotekniikka tukeutuu vahvasti sulautettuun Flash-muistiin (eFlash), jolla kriittistä dataa tallennetaan suoraan mikrosiruille. Perinteinen eFlash kohtaa kuitenkin vakavia fyysisiä skaalautuvuusrajoja edistyneissä valmistusprosesseissa 28 nanometrissä ja sitä pienemmissä kokoluokissa. Lupaavat vaihtoehdot, kuten magneettinen RAM (MRAM), faasimuutosmuisti (PCM) ja resistiivinen oksidi-RAM (OxRAM), vaativat toimiakseen yli 100 mikroampeerin ohjausvirran muistielementtiä kohden. Suuri virta tuottaa liikaa lämpöä, heikentää luotettavuutta ja vaatii lisää jäähdytystehoa, mikä vaikeuttaa sirujen suunnittelua ja valmistusta. 

– Tekoäly ja IoT-laitteet perustuvat valtavaan tiedonsiirtoon joko prosessorin ja muistin välillä tai anturisolmuista prosessointiyksiköihin. Tämä on suuren energiankulutuksen pääsyy, Tampereen yliopiston apulaisprofessori Sayani Majumdar taustoittaa.

– Tutkijoiden kehittämä ratkaisu perustuu datan tallentamiseen ja laskentaan samalla fyysisellä komponentilla, jolloin tiedonsiirto minimoituu. Ferrosähköinen hajasaantimuisti on erinomainen ratkaisu: se pystyy tallentamaan dataa ilman virtaa ja mahdollistaa muistin sisäisen laskennan, mikä tuo valtavan energiaedun tekoälylle ja IoT:lle.

Ratkaisu: Vastuullinen, lyijytön FeRAM-teknologia 

SHIFT-hanke ratkaisee nämä skaalautuvuus- ja energiahaasteet hyödyntämällä ferrosähköistä hajasaantimuistia (FeRAM). Haihtumattomana muistiteknologiana FeRAM toimii matalammalla jännitteellä ja säilyttää tallennetun tiedon myös virran ollessa katkaistuna. Se tarjoaa huomattavia etuja perinteisiin Flash- ja EEPROM-vaihtoehtoihin verrattuna: kirjoitusnopeudet ovat kymmenien nanosekuntien luokkaa, luku- ja kirjoituskestävyys yltää biljooniin kytkentäsykleihin, ja tehonkulutus pienenee merkittävästi erittäin pienten toimintavirtojen ansiosta. Toiminnallisen tehokkuuden lisäksi materiaalin koostumus ratkaisee kriittisen mikroelektroniikan ympäristöongelman. 

– Elinkaarensa päähän tulleet elektroniikkalaitteet päätyvät yleensä kaatopaikoille, joista myrkylliset aineet leviävät maaperään, veteen ja ilmaan, Majumdar huomauttaa.

– Aidosti kestävän elektroniikan on poistettava haitalliset kemikaalit tinkimättä suorituskyvystä tai kustannustehokkuudesta. Ferrosähköiset hafniumpohjaiset järjestelmät täyttävät nämä vaatimukset ja ovat jo yhteensopivia standardien kaupallisten piivalimolinjastojen kanssa nopeaa skaalaamista varten.

Keskeiset tekniset tavoitteet 

Kaupallisen valmiuden osoittamiseksi SHIFT-konsortio tavoittelee laajoja teknisiä päämääriä kahden keskeisen kehitysvaiheen kautta:  

Strateginen kumppanuus Suomen ja Taiwanin välillä 

Seuraavan sukupolven muistilaitteistojen tuominen markkinoille vaatii tieteellisen perustutkimuksen ja suuren volyymin teollisen valmistuksen yhdistämistä. SHIFT-konsortio kokoaa yhteen erityisosaamista puolijohteiden globaalista arvoketjusta:  

Yhdistämällä toisiaan täydentävän asiantuntemuksensa ensimmäistä kertaa konsortio pyrkii nopeuttamaan seuraavan sukupolven laskentateknologioiden kehitystä. 

Laajat ympäristö- ja teollisuusvaikutukset 

Käyttöenergian merkittävän vähentämisen ansiosta SHIFT tarjoaa selkeän polun datakeskusten ja reunalaitteiden hiilijalanjäljen pienentämiseen maailmanlaajuisesti. Samalla teknologia avaa uusia mahdollisuuksia erikoislaskennan ympäristöihin kvanttijärjestelmistä syvään avaruuteen.

Nykypäivän datakeskeisessä maailmassa muistilla on kriittinen rooli, joka ulottuu huomattavasti pelkkää tiedon tallentamista pidemmälle. Siitä on tullut ratkaiseva mahdollistaja kaikissa järjestelmissä aina tekoälystä verkottuneeseen älykkääseen infrastruktuuriin ja turvallisiin digitaalisiin palveluihin. Kryogeenisten muistien avulla voimme tuoda tiedonkäsittelyn ja ohjauksen suoraan kubittien viereen ja skaalata kvanttilaskentaa poistamalla tiedonsiirron huoneenlämmössä toimiviin prosessoreihin. Vastaavasti avaruudessa toimivat autonomiset järjestelmät hyötyvät merkittävästi paikallisesta tiedonkäsittelystä viestintänopeuden, suorituskyvyn ja itsenäisen päätöksenteon energiansäästön osalta.

Sayani Majumdar