Τα νανορευστικά memristors υπολογίζουν σε λογικά κυκλώματα εμπνευσμένα από τον εγκέφαλο – Physics World

Ένα memristor που χρησιμοποιεί αλλαγές στις συγκεντρώσεις ιόντων και μηχανικές παραμορφώσεις για την αποθήκευση πληροφοριών αναπτύχθηκε από ερευνητές στο EPFL στη Λωζάνη της Ελβετίας. Συνδέοντας δύο από αυτές τις συσκευές, οι ερευνητές δημιούργησαν το πρώτο λογικό κύκλωμα που βασίζεται σε νανορευστικά εξαρτήματα. Το νέο memristor θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμο για νευρομορφικούς υπολογιστές, που προσπαθεί να μιμηθεί τον εγκέφαλο χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Στους ζωντανούς οργανισμούς, οι νευρικές αρχιτεκτονικές βασίζονται σε ροές ιόντων που περνούν μέσα από μικροσκοπικά κανάλια για να ρυθμίσουν τη μετάδοση πληροφοριών στις συνάψεις που συνδέουν έναν νευρώνα με έναν άλλο. Αυτή η ιοντική προσέγγιση δεν μοιάζει με τα καλύτερα τεχνητά νευρωνικά συστήματα, τα οποία χρησιμοποιούν ρεύματα ηλεκτρονίων για να μιμηθούν αυτές τις συνάψεις. Η κατασκευή τεχνητών νανορευστικών νευρωνικών δικτύων θα μπορούσε να προσφέρει μια πιο κοντινή αναλογία με τα πραγματικά νευρωνικά συστήματα και θα μπορούσε επίσης να είναι πιο ενεργειακά αποδοτική.

Το memristor είναι ένα στοιχείο κυκλώματος με αντίσταση (και αγωγιμότητα) που εξαρτάται από το ρεύμα που έχει προηγουμένως περάσει από αυτό - που σημαίνει ότι η συσκευή μπορεί να αποθηκεύσει πληροφορίες. Το memristor προτάθηκε για πρώτη φορά το 1971 και από τότε οι ερευνητές είχαν περιορισμένη επιτυχία στη δημιουργία πρακτικών συσκευών. Τα memristors έχουν μεγάλη σημασία στους νευρομορφικούς υπολογιστές, επειδή μπορούν να μιμηθούν την ικανότητα των βιολογικών συνάψεων να αποθηκεύουν πληροφορίες.

Σε αυτή την τελευταία έρευνα, το EPFL's Theo Emmerich, Αλεξάντρα Ραντένοβιτς και οι συνάδελφοί τους κατασκεύασαν τα νανορευστικά μεμρίστορ τους χρησιμοποιώντας μια κυψέλη υγρού που διαστέλλεται ή συστέλλεται όταν ρεύματα διαλυτωμένων ιόντων ρέουν μέσα ή έξω από αυτό, αλλάζοντας την αγωγιμότητά του.

Εικονική και ιονική

Το 2023, οι ερευνητές έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς τον νευρομορφικό υπολογισμό με βάση τα ιόντα, όταν ανακάλυψαν αποτελέσματα μνήμης σε δύο νανορευστικές συσκευές που ρύθμιζαν τη μεταφορά ιόντων σε κανάλια νανοκλίμακας. Όταν υποβάλλονταν σε μια χρονικά μεταβαλλόμενη τάση, αυτές οι συσκευές εμφάνιζαν μια καθυστερημένη αλλαγή στο ρεύμα και την αγωγιμότητα. Αυτός είναι ο χαρακτηριστικός "τσιμπημένος" βρόχος υστέρησης ενός memristor. Ωστόσο, τα συστήματα είχαν χαμηλή απόδοση μνήμης και ήταν ευαίσθητα στην κατασκευή. Επιπλέον, ο μηχανισμός που ευθύνεται για το φαινόμενο της μνήμης ήταν ασαφής.

Αλλά αυτό δεν πτόησε την ομάδα του EPFL, όπως εξηγεί ο Emmerich: «Θέλαμε να δείξουμε πώς αυτό το εκκολαπτόμενο πεδίο θα μπορούσε να είναι συμπληρωματικό με τη νανοηλεκτρονική και να οδηγήσει σε πραγματικές εφαρμογές υπολογιστών στο μέλλον».

Για να δημιουργήσουν τη συσκευή τους, οι ερευνητές του EPFL κατασκεύασαν μια μεμβράνη νιτριδίου πυριτίου 20 micron επί 20 micron πάνω από ένα τσιπ πυριτίου, με έναν πόρο διαμέτρου 100 nm στο κέντρο του. Σε αυτό το τσιπ, εναπόθεσαν νησίδες παλλαδίου διαμέτρου 10 nm γύρω από τις οποίες μπορούσε να ρέει υγρό, χρησιμοποιώντας τεχνικές εξατμιστικής εναπόθεσης. Τέλος, πρόσθεσαν ένα στρώμα γραφίτη πάχους 50–150 nm, για να δημιουργήσουν κανάλια που οδηγούσαν στον πόρο.

Μικρή κυψέλη

Κατά τη βύθιση της συσκευής σε διάλυμα ηλεκτρολύτη και την εφαρμογή θετικής τάσης (0.4–1.0 V), οι ερευνητές παρατήρησαν τον σχηματισμό μιας κυψέλης σε κλίμακα μικρού μεταξύ του νιτριδίου του πυριτίου και του γραφίτη πάνω από τον κεντρικό πόρο. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα ιόντα ταξίδευαν μέσω καναλιών και συνέκλιναν στο κέντρο, αυξάνοντας την πίεση εκεί και οδηγώντας σε σχηματισμό φυσαλίδων. Αυτή η κυψέλη λειτούργησε ως ωμικό «βραχυκύκλωμα» που αύξησε την αγωγιμότητα της συσκευής, τοποθετώντας την σε κατάσταση «ενεργοποιημένη». Με την εφαρμογή αρνητικής τάσης του ίδιου μεγέθους, η κυψέλη ξεφουσκώθηκε και η αγωγιμότητα μειώθηκε, θέτοντας τη συσκευή σε κατάσταση "off".

Επειδή η κυψέλη χρειάστηκε χρόνο για να ξεφουσκώσει μετά την απενεργοποίηση της τάσης, η συσκευή θυμήθηκε την προηγούμενη κατάστασή της. «Η οπτική μας παρατήρηση έδειξε τη μηχανο-ιονική προέλευση της μνήμης», λέει η EPFL's Νέιθαν Ρόνσερεϊ.

Οι μετρήσεις του ρεύματος που διαρρέει τη συσκευή πριν και μετά την επαναφορά τάσης έδειξαν ότι η συσκευή λειτουργούσε με λόγο αγωγιμότητας έως και 60 σε χρονική κλίμακα 1–2 δευτερολέπτων, υποδεικνύοντας ένα φαινόμενο μνήμης δύο τάξεων μεγέθους μεγαλύτερο από τα προηγούμενα σχέδια. Ο Emmerich προσθέτει, «Είναι η πρώτη φορά που παρατηρούμε μια τόσο ισχυρή μνημονιακή συμπεριφορά σε μια νανορευστική συσκευή, η οποία έχει επίσης μια κλιμακούμενη διαδικασία κατασκευής».

Για να δημιουργήσει ένα λογικό κύκλωμα, η ομάδα συνέδεσε δύο από τις συσκευές της παράλληλα με μια μεταβλητή ηλεκτρονική αντίσταση. Και οι δύο συσκευές έτσι επικοινωνούσαν μαζί μέσω αυτής της αντίστασης για να επιτύχουν μια λογική λειτουργία. Συγκεκριμένα, η μεταγωγή της μιας συσκευής καθοδηγήθηκε από την κατάσταση αγωγιμότητας της άλλης.

Λογική επικοινωνία

Μέχρι τώρα, λέει ο Emmerich, οι νανορευστικές συσκευές λειτουργούν και μετρώνται ανεξάρτητα η μία από την άλλη. Προσθέτει ότι οι νέες συσκευές «μπορούν τώρα να επικοινωνούν για να πραγματοποιήσουν λογικούς υπολογισμούς».

Ίρις Αγρέστη, που αναπτύσσει κβαντικά μεμρίστορ στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, λέει ότι αν και δεν πρόκειται για την πρώτη εφαρμογή ενός νανορευστού μεμρίστορ, η καινοτομία δείχνει πώς μπορούν να συνδεθούν πολλές συσκευές για να εκτελούν ελεγχόμενες λειτουργίες. «Αυτό σημαίνει ότι η συμπεριφορά μιας από τις συσκευές εξαρτάται από την άλλη», λέει.

Το Quantum memristor ανοίγει το δρόμο για νευρομορφικούς κβαντικούς υπολογιστές

Το επόμενο βήμα, λένε οι ερευνητές του EPFL, είναι η κατασκευή νανορευστικών νευρωνικών δικτύων όπου οι μονάδες μνήμης είναι καλωδιωμένες με κανάλια νερού. Ο στόχος είναι να δημιουργηθούν κυκλώματα που μπορούν να εκτελέσουν απλές υπολογιστικές εργασίες, όπως η αναγνώριση προτύπων ή ο πολλαπλασιασμός πινάκων. «Ονειρευόμαστε να κατασκευάσουμε ηλεκτρολυτικούς υπολογιστές ικανούς να υπολογίζουν με τους ηλεκτρονικούς ομολόγους τους», λέει ο Radenovic.

Αυτός είναι ένας μακροπρόθεσμος και φιλόδοξος στόχος. Αλλά μια τέτοια προσέγγιση παρουσιάζει δύο βασικά πλεονεκτήματα έναντι των ηλεκτρονικών. Πρώτον, τα συστήματα θα αποφύγουν την υπερθέρμανση που συνήθως σχετίζεται με τα ηλεκτρικά καλώδια, επειδή θα χρησιμοποιούσαν νερό τόσο ως καλώδια όσο και ως ψυκτικό. Δεύτερον, θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τη χρήση διαφορετικών ιόντων για την εκτέλεση ολοκληρωμένων εργασιών στο ίδιο επίπεδο με τους ζωντανούς οργανισμούς. Επιπλέον, λέει ο Agresti, τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα με νανορευστικά συστατικά υπόσχονται χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.

Yanbo Xie, ειδικός στα νανορευστικά στο Βορειοδυτικό Πολυτεχνικό Πανεπιστήμιο στην Κίνα, επισημαίνει ότι το memristor είναι ένα κρίσιμο στοιχείο για ένα νευρομορφικό τσιπ υπολογιστή και παίζει παρόμοιο ρόλο με ένα τρανζίστορ σε μια CPU. Το λογικό κύκλωμα EPFL θα μπορούσε να είναι «ένα θεμελιώδες δομικό στοιχείο για μελλοντικές υδατικές υπολογιστικές μηχανές», λέει. Juan Bisquert Ένας εφαρμοσμένος φυσικός στο Πανεπιστήμιο του James I στο Castello της Ισπανίας συμφωνεί. Οι συσκευές «δείχνουν μια ισχυρή απόκριση», λέει, και ο συνδυασμός τους για την εφαρμογή μιας λογικής λειτουργίας Boolean «ανοίγει το δρόμο για νευρομορφικά συστήματα που βασίζονται σε πλήρως υγρά κυκλώματα».

Το έργο περιγράφεται στο Φύση Ηλεκτρονικά.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/