La tecnologia racetrack logic permette la realizzazione di memorie a stato solido in cui non solo è possibile memorizzare i dati ma è anche possibile effettuare elaborazione in loco evitando il continuo spostamento di informazioni tra la CPU e la memoria principale.

Questo nuovo paradigma permette di ridurre i consumi, prolungando la durata delle batteri dei nostri PC e smartphone. L’elevato livello di parallelizzazione del calcolo raggiungibile con la tecnologia racetrack logic risulta particolarmente adatto ad applicazioni di tipo grafico e intelligenza artificiale.

Stato del brevetto

DEPOSITATO

Numero di priorità

102019000013542

Data di priorità

31/07/2019

Licenza

INTERNAZIONALE

Mercato

Il mercato totale relativo alle memorie di tipo non volatile valeva circa $600M nel 2020 e crescerà fino a raggiungere i $3.3B nel 2026.

La crescita nel settore delle memoria non volatili prevede un CAGR del 110% dal 2020 al 2026.

Il mercato effettivamente aggredibile è quello delle memoria non volatili per microcontrollori (MCU), SoC e ASIC che attualmente detiene quasi il 100% delle memorie non volatili attualmente utilizzate.

Problema

L’attuale paradigma impiegato nelle architetture classiche degli attuali PC e Smartphone è ad oggi vincolata allo schema Von-Neumann in cui sono presenti due componenti principali: la CPU e la memoria. Questa organizzazione implica un continuo scambio di dati tra questi due elementi comportando una limitazione delle prestazioni e elevati consumi di potenza.

Si propone una nuova memoria magnetica, denominata racetrack logic, di tipo non volatile, capace di realizzare funzioni logiche direttamente sui dati memorizzati. Il dispositivo implementa quindi funzioni che una normale memoria non è in grado di eseguire. Le operazioni logiche possono essere eseguite in parallelo su tutti i dati memorizzati, senza la necessità di usare circuiti addizionali. I dati possono essere movimentati in una direzione e possono essere letti e scritti mediante l’utilizzo di elementi esterni. Questo permette alla memoria di essere utilizzata sia come elemento di memoria che come elemento di calcolo.

La possibilità di poter elaborare in dati in loco permette di ridurre drasticamente il trasferimento di dati tra CPU e memoria, specialmente per applicazioni «data intensive». Il continuo trasferimento di dati tra memoria e CPU ha un costo energetico molto elevato.

L’impatto della tecnologia è molto vasto, include tutti i dispositivi IoT, PC, tablet e smartphone. Infatti, i produttori di questi dispositivi hanno come obiettivo quello di massimizzare la durata della batteria, oltre che mantenere un elevato livello di prestazioni.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

Le soluzioni esistenti sul mercato non propongono una vera soluzione al problema, esse non permettono di operare funzioni logiche direttamente all’interno della cella di memoria. Nell’attuale paradigma di Von-Neumann, i dati da processare vengono trasportati all’esterno della memoria, elaborati e memorizzati nuovamente all’interno della memoria. In letteratura, vengono proposte alcune soluzioni, definite «near memory», in cui alcune funzionalità specifiche vengono eseguite esternamente al processore in modo da ridurre la latenza data dal trasferimento dei dati dalla memoria. Tuttavia, questa soluzione risolve solo parzialmente il problema in analisi, infatti pur ottimizzando alcuni specifici processi, il paradigma classico risulta invariato. Anche nel settore industriale, alcuni noti produttori di smartphone stanno investendo ingenti risorse nel ricercare nuove architetture che permettano di migliorare l’interazione tra CPU e memorie utilizzandola classica tecnologia CMOS. Recentemente, l’indirizzo è stato quello di progettare e realizzare dei sistemi basati su CPU e GPU caratterizzati da una memoria condivisa ad alte prestazioni.

La soluzione proposta con le memorie racetrack rappresenta un ulteriore avanzamento nella ricerca di soluzioni efficaci, basandosi su una tecnologia intrinsecamente dotata di caratteristiche fisiche uniche, in grado di integrare funzionalità logiche e di memoria, che il CMOS attualmente utilizzato non può raggiungere.

Killer Application

  • Gennaio 2022: sviluppo del prototipo atto alla dimostrazione della fattibilità delle funzionalità logiche all’interno della memoria
  • Gennaio 2023: realizzazione della struttura di memoria tridimensionale atta ad aumentare l’efficienza e il parallelismo del dispositivo

Tecnologia e nostra soluzione

La realizzazione delle memorie racetrack è basata su un materiale multistrato di CoFeB/MgO. Dopo essere depositato mediante un processo di deposizione viene strutturato per ottenere le strisce magnetiche necessarie a memorizzare dati.

Mediante contatti elettrici, opportunamente definiti agli estremi delle strisce di materiale magnetico, è possibile movimentare i dati sfruttando una corrente che attraversa il materiale.

Vantaggi

I principali vantaggi dell’invenzione proposta sono:

  • Lo stesso dispositivo può funzionare sia da elemento di memoria e sia da elemento di calcolo andando ad abbattere la latenza introdotta dall’attuale paradigma delle architetture Von-Neumann.
  • L’elevata densità del dispositivo permette di raggiungere elevati livelli di parallelismo consentendo di elaborare contemporaneamente i dati memorizzati all’interno della memoria.
  • Ogni cella di memoria è indipendente ed è in grado di realizzare più funzioni logiche, essa può essere riprogrammata run-time durante l’esecuzione di un programma.
  • E’ possibile realizzare strutture di calcolo tridimensionali per aumentare la densità e il parallelismo del processore.

Roadmap

Il finanziamento di 50k€, concesso dalla Compagnia di SanPaolo e LIFTT nel 2021, ha permesso di accelerare lo sviluppo del prototipo validando i singoli elementi del processo di fabbricazione.

La roadmap prevista per la realizzazione di un prototipo completo richiedere:

  • Validare il processo di fabbricazione 3D iniziato durante le attività del finanziamento che si è appena concluso.
  • Realizzare sperimentalmente un dispositivo con più celle di memoria con dispositivi MTJ per la scrittura e TMR per la lettura dei dati.
  • Entrare in contatto con potenziali investitori del settore dei semiconduttori interessati ad ottenere il brevetto in licenza per lo sfruttamento.

Attualmente siamo in contatto con un laboratorio di ricerca situato a Monaco di Baviera che ci permette di accedere gratuitamente ai suioi laboratori ed in particolare alla  «clean room». Viene inoltre richiesto di coprire il costo del personale (PhD o ricercatore) che dovrà effettuare gli esperimenti nonchè il costo dei materiali consumabili.

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