Nanofluidsed memristorid arvutavad aju inspireeritud loogikaahelates – Physics World

Šveitsis Lausanne'is asuva EPFLi teadlased on välja töötanud memristori, mis kasutab teabe salvestamiseks ioonide kontsentratsiooni muutusi ja mehaanilisi deformatsioone. Ühendades kaks neist seadmetest, lõid teadlased esimese nanofluidilistel komponentidel põhineva loogikaahela. Uus memristor võib osutuda kasulikuks neuromorfse andmetöötluse jaoks, mis püüab aju jäljendada elektrooniliste komponentide abil.

Elusorganismides tuginevad närviarhitektuurid ioonide voogudele, mis läbivad väikeseid kanaleid, et reguleerida teabe edastamist sünapsides, mis ühendavad ühte neuroni teisega. See iooniline lähenemine erineb parimatest tehisnärvisüsteemidest, mis kasutavad nende sünapside jäljendamiseks elektronivoolu. Kunstlike nanofluidsete närvivõrkude ehitamine võiks pakkuda lähedasemat analoogiat reaalsete närvisüsteemidega ja olla ka energiatõhusam.

Memristor on vooluahela element, mille takistus (ja juhtivus) sõltub seda eelnevalt läbinud voolust – see tähendab, et seade suudab salvestada teavet. Memristor pakuti esmakordselt välja 1971. aastal ja sellest ajast alates on teadlastel olnud praktiliste seadmete loomisel piiratud edu. Memristorid on neuromorfse andmetöötluse jaoks väga olulised, kuna need võivad jäljendada bioloogiliste sünapside võimet teavet salvestada.

Selles viimases uuringus on EPFL Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic ja nende kolleegid valmistasid oma nanofluidsed memristorid, kasutades vedelat mulli, mis paisub või tõmbub kokku, kui solvateerunud ioonide voolud voolavad sellesse või sealt välja, muutes selle juhtivust.

Ikooniline ja iooniline

2023. aastal astusid teadlased olulise sammu ioonipõhise neuromorfse andmetöötluse suunas, kui nad avastasid mäluefektid kahes nanofluidseadmes, mis reguleerisid ioonide transporti läbi nanomõõtmeliste kanalite. Ajaliselt muutuva pinge allutamisel näitasid need seadmed voolu ja juhtivuse mahajäämust. See on memristorile iseloomulik “näpistatud” hüstereesisilmus. Süsteemidel oli aga nõrk mälu ja neid oli keeruline valmistada. Lisaks oli mäluefekti eest vastutav mehhanism ebaselge.

Kuid see ei ole EPFL-i meeskonda heidutanud, nagu Emmerich selgitab: "Tahtsime näidata, kuidas see tekkiv väli võiks täiendada nanoelektroonikat ja viia tulevikus reaalmaailma andmetöötlusrakendusteni."

Seadme loomiseks valmistasid EPFL-i teadlased ränikiibi peale 20-20 mikroni suuruse räninitriidmembraani, mille keskel oli 100 nm läbimõõduga poor. Sellele kiibile asetasid nad aurustussadestamise tehnikaid kasutades 10 nm läbimõõduga pallaadiumisaared, mille ümber vedelik sai voolata. Lõpuks lisasid nad 50–150 nm paksuse grafiidikihi, et luua kanalid, mis viisid pooridesse.

Väike vill

Seadme elektrolüüdilahusesse kastmisel ja positiivse pinge (0.4–1.0 V) rakendamisel täheldasid teadlased mikronitriidi ja keskpoori kohal oleva grafiidi vahel mikronisuuruse mullide teket. Nad jõudsid järeldusele, et ioonid liikusid läbi kanalite ja lähenesid keskele, suurendades seal rõhku ja põhjustades villide moodustumist. See blister toimis takistusliku "lühisena", mis suurendas seadme juhtivust, asetades selle "sees" olekusse. Sama suurusjärgu negatiivse pinge rakendamisel tühjenes blister ja juhtivus vähenes, pannes seadme väljalülitatud olekusse.

Kuna mulli tühjendamine võttis pärast pinge väljalülitamist aega, mäletas seade oma eelmist olekut. "Meie optiline vaatlus näitas mälu mehhaaniioonilist päritolu," ütleb EPFL Nathan Ronceray.

Seadet läbiva voolu mõõtmised enne ja pärast pinge lähtestamist näitasid, et seade töötas juhtivussuhtega kuni 60 ajaskaalal 1–2 sekundit, mis näitab mäluefekti, mis on kaks suurusjärku suurem kui varasemad konstruktsioonid. Emmerich lisab: "See on esimene kord, kui me jälgime nanofluidseadmes nii tugevat mälumiskäitumist, millel on ka skaleeritav tootmisprotsess."

Loogikalülituse loomiseks ühendas meeskond kaks oma seadet paralleelselt muutuva elektroonilise takistiga. Seega suhtlesid mõlemad seadmed selle takisti kaudu koos, et saavutada loogiline toiming. Eelkõige ajendas ühe seadme lülitamist teise juhtivuse olek.

Loogiline suhtlus

Seni on Emmerichi sõnul nanofluidiseadmeid kasutatud ja mõõdetud üksteisest sõltumatult. Ta lisab, et uued seadmed "saavad nüüd suhelda loogiliste arvutuste tegemiseks".

Iris Agresti, kes arendab Viini ülikoolis kvantmemristoreid, ütleb, et kuigi tegemist ei ole nanofluidse memristori esimese teostusega, näitab uudsus, kuidas kontrollitud toimingute tegemiseks saab ühendada mitu seadet. "See tähendab, et ühe seadme käitumine sõltub teisest, " ütleb ta.

Kvantmemristor sillutab teed neuromorfsele kvantarvutile

EPFL-i teadlaste sõnul on järgmiseks sammuks nanofluidsete närvivõrkude ehitamine, kus memristiivsed üksused on ühendatud veekanalitega. Eesmärk on luua ahelaid, mis suudavad täita lihtsaid arvutusülesandeid, nagu mustrituvastus või maatriksi korrutamine. "Unistame elektrolüütarvutite ehitamisest, mis suudavad arvutada koos nende elektrooniliste kolleegidega," ütleb Radenovic.

See on pikaajaline ja ambitsioonikas eesmärk. Kuid sellisel lähenemisel on elektroonika ees kaks peamist eelist. Esiteks väldiksid süsteemid elektrijuhtmetega tavaliselt kaasnevat ülekuumenemist, kuna need kasutaksid vett nii juhtmete kui ka jahutusvedelikuna. Teiseks võiksid nad kasu saada erinevate ioonide kasutamisest elusorganismidega võrdsete ülesannete täitmiseks. Veelgi enam, Agresti sõnul lubavad nanofluidsete komponentidega kunstlikud närvivõrgud väiksemat energiatarbimist.

Yanbo Xie, nanofluidika ekspert aadressil Loode-Polütehniline Ülikool Hiinas juhib tähelepanu sellele, et memristor on neuromorfse arvutikiibi jaoks kriitiline komponent ja etendab sarnast rolli protsessori transistoriga. Ta ütleb, et EPFL-i loogikalülitus võib olla tulevaste vesiarvutite põhiline ehitusplokk. Juan Bisquert nõustub Hispaanias Castellos asuva James I ülikooli rakendusfüüsik. Seadmed "näitavad tugevat reaktsiooni," ütleb ta, ja nende ühendamine Boole'i ​​loogikaoperatsiooni rakendamiseks "sillutab teed neuromorfsetele süsteemidele, mis põhinevad täielikult vedelatel ahelatel."

Töö on kirjeldatud aastal Looduse elektroonika.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/