Nanofluidiset memristorit laskevat aivojen inspiroimissa logiikkapiireissä – Physics World

EPFL:n tutkijat Lausannessa Sveitsissä ovat kehittäneet memristorin, joka käyttää ionipitoisuuksien muutoksia ja mekaanisia muodonmuutoksia tietojen tallentamiseen. Yhdistämällä kaksi näistä laitteista tutkijat loivat ensimmäisen logiikkapiirin, joka perustuu nanofluidisiin komponentteihin. Uusi memristori saattaa osoittautua hyödylliseksi neuromorfisessa laskennassa, joka yrittää jäljitellä aivoja elektronisten komponenttien avulla.

Elävissä organismeissa hermoarkkitehtuurit riippuvat pienten kanavien läpi kulkevista ionivirroista säätelemään tiedon siirtymistä synapsien kautta, jotka yhdistävät hermosolut toiseen. Tämä ioninen lähestymistapa poikkeaa parhaista keinotekoisista hermojärjestelmistä, jotka käyttävät elektronivirtoja matkimaan näitä synapseja. Keinotekoisten nanofluidisten hermoverkkojen rakentaminen voisi tarjota läheisemmän analogian todellisiin hermojärjestelmiin, ja se voisi myös olla energiatehokkaampaa.

Memristori on piirielementti, jonka resistanssi (ja johtavuus) riippuu sen läpi aiemmin kulkeneesta virrasta – eli laite voi tallentaa tietoa. Memristoria ehdotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1971, ja siitä lähtien tutkijoilla on ollut rajallinen menestys käytännön laitteiden luomisessa. Memristorilla on suuri merkitys neuromorfisessa laskennassa, koska ne voivat jäljitellä biologisten synapsien kykyä tallentaa tietoa.

Tässä uusimmassa tutkimuksessa EPFL:n Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic ja heidän kollegansa valmistivat nanofluidiset memristorinsa käyttämällä nestemäistä rakkulaa, joka laajenee tai supistuu, kun solvatoituneiden ionien virrat virtasivat sisään tai ulos, muuttaen sen johtavuutta.

Ikoninen ja ioninen

Vuonna 2023 tutkijat ottivat merkittävän askeleen kohti ionipohjaista neuromorfista laskentaa, kun he löysivät muistivaikutuksia kahdesta nanofluidilaitteesta, jotka säätelivät ionien kuljetusta nanomittakanavien kautta. Kun nämä laitteet altistettiin ajallisesti vaihtelevalle jännitteelle, ne osoittivat viivästynyttä muutosta virrassa ja konduktanssissa. Tämä on memristorille tyypillinen "puristettu" hystereesisilmukka. Järjestelmien muistin suorituskyky oli kuitenkin heikko, ja niiden valmistaminen oli herkkää. Lisäksi muistiefektistä vastuussa oleva mekanismi oli epäselvä.

Mutta tämä ei ole lannistanut EPFL-tiimiä, kuten Emmerich selittää: "Halusimme näyttää, kuinka tämä syntymässä oleva kenttä voisi täydentää nanoelektroniikkaa ja johtaa reaalimaailman laskentasovelluksiin tulevaisuudessa".

Laitteensa luomiseksi EPFL-tutkijat valmistivat piisirun päälle 20 mikronin x 20 mikronin piinitridikalvon, jonka keskellä oli halkaisijaltaan 100 nm:n huokos. Tälle sirulle he kerrostivat 10 nm:n halkaisijaltaan palladiumsaarekkeita, joiden ympärille neste saattoi virrata haihdutuspinnoitustekniikoita käyttämällä. Lopuksi he lisäsivät 50–150 nm paksuisen grafiittikerroksen luodakseen kanavia, jotka johtivat huokosiin.

Pieni rakkula

Kun laite upotettiin elektrolyyttiliuokseen ja annettiin positiivinen jännite (0.4–1.0 V), tutkijat havaitsivat piinitridin ja grafiitin väliin muodostuvan mikronikokoisen rakkulan keskushuokosen yläpuolelle. He päättelivät, että ionit kulkivat kanavien läpi ja lähentyivät keskustaan, mikä lisäsi painetta siellä ja johti rakkuloiden muodostumiseen. Tämä kupla toimi resistiivisenä "oikosulkuna", joka lisäsi laitteen johtavuutta ja asetti sen "on"-tilaan. Käytettäessä samansuuruista negatiivista jännitettä kupla tyhjeni ja konduktanssi laski, jolloin laite asetettiin "pois"-tilaan.

Koska kuplan tyhjeneminen kesti aikaa jännitteen katkaisun jälkeen, laite muisti edellisen tilansa. "Optinen havainnointimme osoitti muistin mekaanis-ionisen alkuperän", sanoo EPFL's Nathan Ronceray.

Laitteen läpi kulkevan virran mittaukset ennen jännitteen nollausta ja sen jälkeen osoittivat, että laite toimi jopa 60:n johtavuussuhteella 1–2 sekunnin aikaskaalalla, mikä osoitti kaksi suuruusluokkaa aiempia malleja suurempaa muistiefektiä. Emmerich lisää: "Tämä on ensimmäinen kerta, kun havaitsemme niin vahvan muistin käyttäytymisen nanofluidilaitteessa, jolla on myös skaalautuva valmistusprosessi."

Luodakseen logiikkapiirin ryhmä liitti kaksi laitettaan rinnakkain muuttuvaan elektroniseen vastukseen. Molemmat laitteet kommunikoivat siten keskenään tämän vastuksen kautta loogisen toiminnan aikaansaamiseksi. Erityisesti yhden laitteen kytkentää ohjasi toisen konduktanssitila.

Looginen viestintä

Emmerichin mukaan nanofluidisia laitteita on tähän asti käytetty ja mitattu toisistaan ​​riippumatta. Hän lisää, että uudet laitteet "voivat nyt kommunikoida loogisten laskelmien toteuttamiseksi".

Iris Agresti, joka kehittää kvanttimemristoreita Wienin yliopistossa, sanoo, että vaikka tämä ei olekaan ensimmäinen nanofluidisen memristorin toteutus, uutuus osoittaa, kuinka useita laitteita voidaan yhdistää ohjattujen toimintojen suorittamiseen. "Tämä tarkoittaa, että yhden laitteen käyttäytyminen riippuu toisesta", hän sanoo.

Kvanttimemristori tasoittaa tietä neuromorfiselle kvanttilaskentalle

Seuraava askel, EPFL:n tutkijat sanovat, on rakentaa nanofluidisia hermoverkkoja, joissa memristiiviset yksiköt on kytketty yhteen vesikanavien kanssa. Tavoitteena on luoda piirejä, jotka pystyvät suorittamaan yksinkertaisia ​​laskentatehtäviä, kuten muodontunnistusta tai matriisin kertomista. "Unelmoimme elektrolyyttisten tietokoneiden rakentamisesta, jotka pystyvät laskemaan sähköisten vastineidensa kanssa", Radenovic sanoo.

Se on pitkän aikavälin ja kunnianhimoinen tavoite. Mutta tällaisella lähestymistavalla on kaksi keskeistä etua elektroniikkaan verrattuna. Ensinnäkin järjestelmät vältyttäisivät sähköjohtoihin tyypillisesti liittyvältä ylikuumenemiselta, koska ne käyttäisivät vettä sekä johtoina että jäähdytysnesteenä. Toiseksi he voisivat hyötyä erilaisten ionien käyttämisestä elävien organismien kaltaisten tehtävien suorittamiseen. Lisäksi Agrestin mukaan keinotekoiset neuroverkot nanofluidisilla komponenteilla lupaavat pienemmän energiankulutuksen.

Yanbo Xie, nanofluidiikan asiantuntija Luoteinen ammattikorkeakoulu Kiinassa huomauttaa, että memristori on kriittinen komponentti neuromorfisessa tietokonepiirissä ja sillä on samanlainen rooli kuin prosessorin transistori. EPFL-logiikkapiiri voisi olla "perusrakennelma tuleville vesipohjaisille laskentakoneille", hän sanoo. Juan Bisquert sovellettu fyysikko James I:n yliopistosta Castellossa, Espanjassa, on samaa mieltä. Laitteet "osoivat vahvan vasteen", hän sanoo, ja niiden yhdistäminen Boolen logiikan toteuttamiseksi "tasoittaa tietä neuromorfisille järjestelmille, jotka perustuvat täysin nestemäisiin piireihin".

Teos on kuvattu Luontoelektroniikka.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/