Nanofluidiske memristorer beregner i hjerne-inspirerede logiske kredsløb – Physics World

Nanofluidiske memristorer beregner i hjerne-inspirerede logiske kredsløb – Physics World

Tidsstempel: 22. april 2024 kl. 10


Nanofluidisk memristor
Neuromorfisk gennembrud: Nathan Ronceray (til venstre) og Théo Emmerich på EPFL med deres nanofluidiske enheder. (Med høflighed: EPFL/Titouan Veuillet/CC BY SA 4.0)

En memristor, der bruger ændringer i ionkoncentrationer og mekaniske deformationer til at lagre information, er blevet udviklet af forskere ved EPFL i Lausanne, Schweiz. Ved at forbinde to af disse enheder skabte forskerne det første logiske kredsløb baseret på nanofluidiske komponenter. Den nye memristor kan vise sig at være nyttig til neuromorfisk databehandling, som forsøger at efterligne hjernen ved hjælp af elektroniske komponenter.

I levende organismer er neurale arkitekturer afhængige af strømme af ioner, der passerer gennem bittesmå kanaler, for at regulere transmissionen af ​​information på tværs af synapserne, der forbinder en neuron til en anden. Denne ioniske tilgang er i modsætning til de bedste kunstige neurale systemer, som bruger elektronstrømme til at efterligne disse synapser. Opbygning af kunstige nanofluidiske neurale netværk kunne give en tættere analogi til rigtige neurale systemer og kunne også være mere energieffektive.

En memristor er et kredsløbselement med en modstand (og konduktans), der afhænger af den strøm, der tidligere har passeret gennem den - hvilket betyder, at enheden kan gemme information. Memristoren blev først foreslået i 1971, og siden da har forskere haft begrænset succes med at skabe praktiske enheder. Memristorer har stor betydning for neuromorfisk databehandling, fordi de kan efterligne biologiske synapsers evne til at lagre information.

I denne seneste forskning, EPFL's Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic og deres kolleger lavede deres nanofluidiske memristorer ved hjælp af en flydende blister, der udvider sig eller trækker sig sammen, når strømme af solvatiserede ioner strømmede ind i eller ud af den, og ændrede dens ledningsevne.

Ikonisk og ionisk

I 2023 tog forskere et væsentligt skridt mod ion-baseret neuromorfisk databehandling, da de opdagede hukommelseseffekter i to nanofluidiske enheder, der regulerede iontransport på tværs af nanoskalakanaler. Når de blev udsat for en tidsvarierende spænding, viste disse enheder en forsinkende ændring i strøm og konduktans. Dette er en memristors karakteristiske "klemmede" hystereseløkke. Systemerne havde dog en svag hukommelsesydelse og var delikate at fremstille. Desuden var mekanismen, der var ansvarlig for hukommelseseffekten, uklar.

Men dette har ikke afskrækket EPFL-teamet, som Emmerich forklarer: "Vi ønskede at vise, hvordan dette begyndende felt kunne være komplementært til nanoelektronik og kunne føre til computerapplikationer i den virkelige verden i fremtiden".

For at skabe deres enhed fremstillede EPFL-forskerne en 20 mikron gange 20 mikron siliciumnitridmembran på toppen af ​​en siliciumchip med en 100 nm-diameter pore i midten. På denne chip afsatte de palladiumøer med en diameter på 10 nm, som væske kunne strømme rundt om ved at bruge fordampningsdepositionsteknikker. Til sidst tilføjede de et 50-150 nm tykt grafitlag for at skabe kanaler, der førte til poren.

Lille blære

Efter at have dyppet enheden i en elektrolytopløsning og påført en positiv spænding (0.4-1.0 V), observerede forskerne dannelsen af ​​en mikronskala blister mellem siliciumnitrid og grafitten over den centrale pore. De konkluderede, at ioner rejste gennem kanaler og konvergerede i midten, hvilket øgede trykket der og førte til blæredannelse. Denne blister fungerede som en resistiv "kortslutning", der øgede enhedens ledningsevne og placerede den i "tændt" tilstand. Efter at have påført en negativ spænding af samme størrelse, tømte blisteren luft, og konduktansen faldt, hvilket placerede enheden i "off"-tilstand.

Fordi det tog tid at tømme blæren efter spændingsafbrydelsen, huskede enheden sin tidligere tilstand. "Vores optiske observation viste den mekano-ioniske oprindelse af hukommelsen," siger EPFL's Nathan Ronceray.

Målinger af strømmen, der strømmer gennem enheden før og efter spændingsnulstillingen viste, at enheden fungerede med et konduktansforhold på op til 60 på en tidsskala på 1-2 s, hvilket indikerer en hukommelseseffekt to størrelsesordener større end tidligere designs. Emmerich tilføjer: "Dette er første gang, at vi observerer en så stærk memristiv adfærd i en nanofluidisk enhed, som også har en skalerbar fremstillingsproces".

For at skabe et logisk kredsløb tilsluttede holdet to af deres enheder parallelt til en variabel elektronisk modstand. Begge enheder kommunikerede således sammen gennem denne modstand for at opnå en logisk operation. Især blev omskiftningen af ​​den ene enhed drevet af den andens konduktanstilstand.

Logisk kommunikation

Indtil nu, siger Emmerich, er nanofluidiske enheder blevet betjent og målt uafhængigt af hinanden. Han tilføjer, at de nye enheder "nu kan kommunikere for at realisere logiske beregninger."

Iris Agresti, som er ved at udvikle kvante memristorer ved universitetet i Wien, siger, at selvom dette ikke er den første implementering af en nanofluidisk memristor, viser nyheden, hvordan flere enheder kan forbindes for at udføre kontrollerede operationer. "Dette indebærer, at den ene enheds adfærd afhænger af den anden," siger hun.

Det næste skridt, siger EPFL-forskerne, er at bygge nanofluidiske neurale netværk, hvor memristive enheder er forbundet med vandkanaler. Målet er at skabe kredsløb, der kan udføre simple computeropgaver såsom mønstergenkendelse eller matrixmultiplikation. "Vi drømmer om at bygge elektrolytiske computere, der kan beregne med deres elektroniske modstykker," siger Radenovic.

Det er et langsigtet og ambitiøst mål. Men en sådan tilgang præsenterer to vigtige fordele i forhold til elektronik. For det første ville systemerne undgå den overophedning, der typisk er forbundet med elektriske ledninger, fordi de ville bruge vand som både ledninger og kølevæske. For det andet kunne de drage fordel af at bruge forskellige ioner til at udføre komplette opgaver på lige fod med levende organismer. Desuden, siger Agresti, lover kunstige neurale netværk med nanofluidiske komponenter lavere energiforbrug.

Yanbo Xie, en nanofluidics-ekspert ved Det nordvestlige polytekniske universitet i Kina, påpeger, at memristoren er en kritisk komponent for en neuromorf computerchip og spiller en lignende rolle som en transistor i en CPU. EPFL-logikkredsløbet kunne være "en grundlæggende byggesten til fremtidige vandige computermaskiner," siger han. Juan Bisquert en anvendt fysiker ved University of James I i Castello, Spanien, er enig. Enhederne "viser en robust respons," siger han, og at kombinere dem for at implementere en boolsk logikoperation "baner vejen for neuromorfe systemer baseret på fuldt flydende kredsløb."

Arbejdet er beskrevet i Naturelektronik.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden