नैनोफ्लुइडिक मेमरिस्टर्स मस्तिष्क-प्रेरित लॉजिक सर्किट में गणना करते हैं - भौतिकी विश्व

स्विट्जरलैंड के लॉज़ेन में ईपीएफएल के शोधकर्ताओं द्वारा एक मेमरिस्टर विकसित किया गया है जो जानकारी संग्रहीत करने के लिए आयन सांद्रता और यांत्रिक विकृतियों में परिवर्तन का उपयोग करता है। इनमें से दो उपकरणों को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने नैनोफ्लुइडिक घटकों पर आधारित पहला लॉजिक सर्किट बनाया। नया मेमरिस्टर न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी साबित हो सकता है, जो इलेक्ट्रॉनिक घटकों का उपयोग करके मस्तिष्क की नकल करने की कोशिश करता है।

जीवित जीवों में, तंत्रिका वास्तुकला एक न्यूरॉन को दूसरे से जोड़ने वाले सिनैप्स में सूचना के संचरण को विनियमित करने के लिए छोटे चैनलों से गुजरने वाले आयनों के प्रवाह पर निर्भर करती है। यह आयनिक दृष्टिकोण सर्वोत्तम कृत्रिम तंत्रिका प्रणालियों के विपरीत है, जो इन सिनैप्स की नकल करने के लिए इलेक्ट्रॉन धाराओं का उपयोग करते हैं। कृत्रिम नैनोफ्लुइडिक तंत्रिका नेटवर्क का निर्माण वास्तविक तंत्रिका प्रणालियों के करीब सादृश्य प्रदान कर सकता है, और अधिक ऊर्जा-कुशल भी हो सकता है।

मेमरिस्टर एक सर्किट तत्व है जिसमें प्रतिरोध (और संचालन) होता है जो पहले से गुजरने वाले करंट पर निर्भर करता है - जिसका अर्थ है कि डिवाइस जानकारी संग्रहीत कर सकता है। मेमरिस्टर पहली बार 1971 में प्रस्तावित किया गया था, और तब से शोधकर्ताओं को व्यावहारिक उपकरण बनाने में सीमित सफलता मिली है। मेमरिस्टर्स न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे जानकारी संग्रहीत करने के लिए जैविक सिनैप्स की क्षमता की नकल कर सकते हैं।

इस नवीनतम शोध में ई.पी.एफ.एल थियो एमेरिच, एलेक्जेंड्रा रेडेनोविक और उनके सहयोगियों ने एक तरल ब्लिस्टर का उपयोग करके अपने नैनोफ्लुइडिक मेमरिस्टर्स बनाए जो सॉल्वेटेड आयनों की धाराओं के अंदर या बाहर प्रवाहित होने पर फैलते या सिकुड़ते हैं, जिससे इसका संचालन बदल जाता है।

प्रतिष्ठित और आयनिक

2023 में, शोधकर्ताओं ने आयन-आधारित न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया जब उन्होंने दो नैनोफ्लुइडिक उपकरणों में मेमोरी प्रभावों की खोज की जो नैनोस्केल चैनलों में आयन परिवहन को नियंत्रित करते थे। जब समय-परिवर्तनशील वोल्टेज के अधीन होते हैं, तो ये उपकरण धारा और चालन में एक विलंबित परिवर्तन प्रदर्शित करते हैं। यह एक मेमरिस्टर की विशेषता "चुटकी हुई" हिस्टैरिसीस लूप है। हालाँकि, सिस्टम में कमजोर मेमोरी प्रदर्शन था, और निर्माण के लिए नाजुक थे। इसके अलावा, स्मृति प्रभाव के लिए जिम्मेदार तंत्र अस्पष्ट था।

लेकिन इससे ईपीएफएल टीम पर कोई असर नहीं पड़ा है, जैसा कि एमेरिच बताते हैं: "हम यह दिखाना चाहते थे कि यह उभरता हुआ क्षेत्र नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स का पूरक कैसे हो सकता है और भविष्य में वास्तविक दुनिया के कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों को जन्म दे सकता है"।

अपना उपकरण बनाने के लिए, ईपीएफएल शोधकर्ताओं ने एक सिलिकॉन चिप के ऊपर 20 माइक्रोन-बाय-20 माइक्रोन सिलिकॉन नाइट्राइड झिल्ली का निर्माण किया, जिसके केंद्र में 100 एनएम-व्यास का छिद्र था। इस चिप पर, उन्होंने बाष्पीकरणीय जमाव तकनीकों का उपयोग करके 10-एनएम-व्यास वाले पैलेडियम द्वीप जमा किए, जिसके चारों ओर तरल पदार्थ प्रवाहित हो सकता था। अंत में, उन्होंने छिद्र तक जाने वाले चैनल बनाने के लिए 50-150 एनएम मोटी ग्रेफाइट परत जोड़ी।

छोटा सा छाला

डिवाइस को इलेक्ट्रोलाइट घोल में डुबाने और सकारात्मक वोल्टेज (0.4-1.0 V) लगाने पर, शोधकर्ताओं ने केंद्रीय छिद्र के ऊपर सिलिकॉन नाइट्राइड और ग्रेफाइट के बीच एक माइक्रोन-स्केल ब्लिस्टर का गठन देखा। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि आयन चैनलों के माध्यम से यात्रा करते हैं और केंद्र में एकत्रित होते हैं, जिससे वहां दबाव बढ़ जाता है और छाले बन जाते हैं। इस ब्लिस्टर ने एक प्रतिरोधक "शॉर्ट सर्किट" के रूप में काम किया जिसने डिवाइस के संचालन को बढ़ा दिया, जिससे यह "चालू" स्थिति में आ गया। समान परिमाण का नकारात्मक वोल्टेज लागू करने पर, ब्लिस्टर पिचक गया और चालकता कम हो गई, जिससे उपकरण "बंद" स्थिति में आ गया।

क्योंकि वोल्टेज शट-ऑफ के बाद ब्लिस्टर को फूलने में समय लगा, डिवाइस को अपनी पिछली स्थिति याद आ गई। ईपीएफएल का कहना है, "हमारे ऑप्टिकल अवलोकन ने मेमोरी की मैकेनो-आयनिक उत्पत्ति को दिखाया।" नाथन रोन्सेरे.

वोल्टेज रीसेट से पहले और बाद में डिवाइस के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा के माप से पता चला कि डिवाइस 60-1 सेकेंड के समय पैमाने पर 2 तक के चालन अनुपात के साथ संचालित होता है, जो पिछले डिजाइनों की तुलना में दो ऑर्डर अधिक परिमाण के मेमोरी प्रभाव का संकेत देता है। एमेरिच कहते हैं, "यह पहली बार है कि हम एक नैनोफ्लुइडिक डिवाइस में इतना मजबूत यादगार व्यवहार देखते हैं, जिसमें एक स्केलेबल निर्माण प्रक्रिया भी है"।

एक लॉजिक सर्किट बनाने के लिए, टीम ने अपने दो उपकरणों को एक वैरिएबल इलेक्ट्रॉनिक रेसिस्टर के समानांतर जोड़ा। इस प्रकार दोनों डिवाइस एक लॉजिक ऑपरेशन को प्राप्त करने के लिए इस अवरोधक के माध्यम से एक साथ संचार करते हैं। विशेष रूप से, एक डिवाइस का स्विचिंग दूसरे की संचालन स्थिति द्वारा संचालित होता था।

तार्किक संचार

एमेरिच का कहना है कि अब तक, नैनोफ्लुइडिक उपकरणों को एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से संचालित और मापा जाता रहा है। उन्होंने आगे कहा कि नए उपकरण "अब तर्क गणनाओं को साकार करने के लिए संचार कर सकते हैं।"

आइरिस एग्रेस्टीविएना विश्वविद्यालय में क्वांटम मेमरिस्टर विकसित कर रहे डॉ. का कहना है कि हालांकि यह नैनोफ्लुइडिक मेमरिस्टर का पहला कार्यान्वयन नहीं है, नवीनता यह दिखा रही है कि नियंत्रित संचालन करने के लिए कई उपकरणों को कैसे जोड़ा जा सकता है। "इसका तात्पर्य यह है कि उपकरणों में से एक का व्यवहार दूसरे पर निर्भर करता है," वह कहती हैं।

क्वांटम मेमरिस्टर न्यूरोमॉर्फिक क्वांटम कंप्यूटिंग का मार्ग प्रशस्त करता है

ईपीएफएल शोधकर्ताओं का कहना है कि अगला कदम नैनोफ्लुइडिक न्यूरल नेटवर्क का निर्माण करना है जहां यादगार इकाइयों को जल चैनलों के साथ जोड़ा जाता है। लक्ष्य ऐसे सर्किट बनाना है जो पैटर्न पहचान या मैट्रिक्स गुणन जैसे सरल कंप्यूटिंग कार्य कर सकें। रेडेनोविक कहते हैं, "हम अपने इलेक्ट्रॉनिक समकक्षों के साथ गणना करने में सक्षम इलेक्ट्रोलाइटिक कंप्यूटर बनाने का सपना देखते हैं।"

यह एक दीर्घकालिक और महत्वाकांक्षी लक्ष्य है। लेकिन ऐसा दृष्टिकोण इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में दो प्रमुख लाभ प्रस्तुत करता है। सबसे पहले, सिस्टम आमतौर पर बिजली के तारों से जुड़ी ओवरहीटिंग से बचेंगे, क्योंकि वे तारों और शीतलक दोनों के रूप में पानी का उपयोग करेंगे। दूसरा, वे जीवित जीवों के समान पूर्ण कार्यों को निष्पादित करने के लिए विभिन्न आयनों का उपयोग करने से लाभान्वित हो सकते हैं। इसके अलावा, एग्रेस्टी का कहना है, नैनोफ्लुइडिक घटकों वाले कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क कम ऊर्जा खपत का वादा करते हैं।

यान्बो झी, एक नैनोफ्लुइडिक्स विशेषज्ञ नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी चीन में, बताते हैं कि मेमरिस्टर न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटर चिप के लिए एक महत्वपूर्ण घटक है और सीपीयू में ट्रांजिस्टर के समान भूमिका निभाता है। उनका कहना है कि ईपीएफएल लॉजिक सर्किट "भविष्य की जलीय कंप्यूटिंग मशीनों के लिए एक मौलिक बिल्डिंग ब्लॉक" हो सकता है। जुआन बिस्क्वेर्ट स्पेन के कास्टेलो में जेम्स प्रथम विश्वविद्यालय के एक व्यावहारिक भौतिक विज्ञानी सहमत हैं। वे कहते हैं, उपकरण "एक मजबूत प्रतिक्रिया दिखाते हैं," और बूलियन लॉजिक ऑपरेशन को लागू करने के लिए उनका संयोजन "पूरी तरह से तरल सर्किट पर आधारित न्यूरोमॉर्फिक सिस्टम के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।"

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/