Новый тонкопленочный материал ускоряет ИИ и снижает энергопотребление

Инженеры из Университета Хьюстона разработали инновационный тонкопленочный материал, способный значительно повысить скорость работы искусственного интеллекта и одновременно снизить энергопотребление. Это открытие призвано решить насущную проблему растущих энергетических потребностей ИИ.

Разработка, опубликованная в журнале ACS Nano, представляет собой специализированную двумерную (2D) тонкую пленку-диэлектрик, или электрический изолятор. Этот материал призван заменить традиционные компоненты в интегральных схемах, которые генерируют значительное количество тепла. Новая тонкая пленка, не накапливающая электричество, поможет сократить энергетические затраты и тепловыделение, связанные с высокопроизводительными вычислениями, необходимыми для ИИ.

«ИИ вызвал взрывной рост наших энергетических потребностей», — отметил Аламгир Карим, профессор и заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии в Университете Хьюстона. «Многие центры обработки данных ИИ используют обширные системы охлаждения, потребляющие огромное количество электроэнергии для поддержания тысяч серверов с интегральными схемами в оптимальном температурном режиме. Это необходимо для поддержания высокой скорости обработки данных, сокращения времени отклика и продления срока службы чипов».

Решение: электронный материал с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости (Low-k)

Для контроля энергопотребления и повышения производительности Карим и его бывший аспирант Манджинджит Сингх использовали органические каркасные материалы, удостоенные Нобелевской премии, для разработки этих диэлектрических пленок.

«Ожидается, что эти материалы нового поколения значительно повысят производительность ИИ и обычных электронных устройств», — сказал Сингх, постдок в Колумбийском университете, который разработал эти материалы во время обучения в аспирантуре Университета Хьюстона в сотрудничестве с профессором Эрин Шредер.

Не все диэлектрики одинаковы. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) накапливают больше электрической энергии и рассеивают ее в виде тепла по сравнению с материалами с низким коэффициентом (low-k). Поэтому Карим сосредоточился на low-k материалах, созданных из легких элементов, таких как углерод. Эти материалы, известные как легкие ковалентные органические каркасы, ускоряют передачу сигналов и уменьшают задержки.

«Low-k материалы являются базовыми изоляторами, которые поддерживают проводники интегральных схем, передающие высокоскоростные и высокочастотные электрические сигналы с низким энергопотреблением (то есть высокой эффективностью, поскольку чипы могут работать холоднее и быстрее) и также с низкими помехами (перекрестными наводками сигналов)», — пояснил Карим.

Команда создала новый материал из углерода и других легких элементов, формирующих связанные ковалентными связями листовые пленки с высокопористой кристаллической структурой. Затем они изучили их электронные свойства для применения в устройствах следующего поколения с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости.

«Внедрение low-k материалов в устройства интегральных схем имеет огромный потенциал для значительного снижения энергопотребления растущих центров обработки данных ИИ. Мы обнаружили, что 2D-листы обладают сверхнизкой диэлектрической проницаемостью и сверхвысокой электрической прочностью, необходимой для высоковольтной работы мощных устройств, с хорошей термической стабильностью даже при повышенных рабочих температурах устройств», — сообщили Карим и Сингх.

Для создания пленок использовался метод синтетической межфазной полимеризации. Этот метод, открытый лауреатами Нобелевской премии по химии 2025 года, позволяет молекулам, растворенным в двух несмешивающихся жидкостях, сшиваться, образуя прочные кристаллические слоистые листы.