Memristor nanofluida menghitung dalam sirkuit logika yang terinspirasi dari otak – Dunia Fisika

Sebuah memristor yang menggunakan perubahan konsentrasi ion dan deformasi mekanis untuk menyimpan informasi telah dikembangkan oleh para peneliti di EPFL di Lausanne, Swiss. Dengan menghubungkan dua perangkat ini, para peneliti menciptakan rangkaian logika pertama berdasarkan komponen nanofluida. Memristor baru ini terbukti berguna untuk komputasi neuromorfik, yang mencoba meniru otak menggunakan komponen elektronik.

Dalam organisme hidup, arsitektur saraf bergantung pada aliran ion yang melewati saluran kecil untuk mengatur transmisi informasi melintasi sinapsis yang menghubungkan satu neuron ke neuron lainnya. Pendekatan ionik ini tidak seperti sistem saraf tiruan terbaik, yang menggunakan arus elektron untuk meniru sinapsis ini. Membangun jaringan saraf nanofluida buatan dapat memberikan analogi yang lebih dekat dengan sistem saraf nyata, dan juga bisa lebih hemat energi.

Memristor adalah elemen rangkaian dengan resistansi (dan konduktansi) yang bergantung pada arus yang sebelumnya melewatinya – artinya perangkat dapat menyimpan informasi. Memristor pertama kali diusulkan pada tahun 1971, dan sejak itu para peneliti hanya mempunyai sedikit keberhasilan dalam menciptakan perangkat praktis. Memristor sangat penting dalam komputasi neuromorfik, karena mereka dapat meniru kemampuan sinapsis biologis untuk menyimpan informasi.

Dalam penelitian terbaru ini, EPFL's Theo Emmerich, Aleksandra Radenovic dan rekan-rekan mereka membuat memristor nanofluida menggunakan lepuh cair yang mengembang atau berkontraksi ketika arus ion terlarut mengalir masuk atau keluar, sehingga mengubah konduktansinya.

Ikonik dan ionik

Pada tahun 2023, para peneliti mengambil langkah signifikan menuju komputasi neuromorfik berbasis ion ketika mereka menemukan efek memori pada dua perangkat nanofluida yang mengatur transpor ion melintasi saluran skala nano. Ketika terkena tegangan yang bervariasi terhadap waktu, perangkat ini menampilkan perubahan arus dan konduktansi yang tertinggal. Ini adalah karakteristik loop histeresis “terjepit” dari memristor. Namun, sistem tersebut memiliki kinerja memori yang lemah, dan sulit untuk dibuat. Selain itu, mekanisme yang menyebabkan efek memori masih belum jelas.

Namun hal ini tidak menghalangi tim EPFL, seperti yang dijelaskan Emmerich: “Kami ingin menunjukkan bagaimana bidang yang baru lahir ini dapat melengkapi nanoelektronik dan dapat mengarah pada aplikasi komputasi dunia nyata di masa depan”.

Untuk membuat perangkat mereka, para peneliti EPFL membuat membran silikon nitrida berukuran 20 mikron kali 20 mikron di atas chip silikon, dengan pori berdiameter 100 nm di tengahnya. Pada chip ini, mereka mendepositkan pulau paladium berdiameter 10 nm di sekitar tempat cairan dapat mengalir, dengan menggunakan teknik pengendapan evaporatif. Terakhir, mereka menambahkan lapisan grafit setebal 50–150 nm, untuk membuat saluran yang mengarah ke pori.

Lepuh kecil

Setelah mencelupkan perangkat ke dalam larutan elektrolit dan memberikan tegangan positif (0.4–1.0 V), para peneliti mengamati pembentukan lepuh berskala mikron antara silikon nitrida dan grafit di atas pori tengah. Mereka menyimpulkan bahwa ion-ion bergerak melalui saluran dan berkumpul di pusatnya, meningkatkan tekanan di sana dan menyebabkan pembentukan lepuh. Lepuh ini bertindak sebagai “korsleting” resistif yang meningkatkan konduktansi perangkat, menempatkannya dalam keadaan “hidup”. Setelah menerapkan tegangan negatif dengan besaran yang sama, lepuh mengempis dan konduktansi menurun, sehingga perangkat berada dalam kondisi “mati”.

Karena lepuh membutuhkan waktu untuk mengempis setelah voltase dimatikan, perangkat mengingat keadaan sebelumnya. “Pengamatan optik kami menunjukkan asal usul memori mekano-ionik,” kata EPFL Nathan Ronceray.

Pengukuran arus yang mengalir melalui perangkat sebelum dan sesudah pengaturan ulang tegangan menunjukkan bahwa perangkat beroperasi dengan rasio konduktansi hingga 60 dalam skala waktu 1–2 detik, yang menunjukkan efek memori dua kali lipat lebih besar dari desain sebelumnya. Emmerich menambahkan, “Ini adalah pertama kalinya kami mengamati perilaku memristif yang kuat pada perangkat nanofluida, yang juga memiliki proses fabrikasi yang dapat diskalakan”.

Untuk membuat rangkaian logika, tim menghubungkan dua perangkat mereka secara paralel ke resistor elektronik variabel. Kedua perangkat berkomunikasi bersama melalui resistor ini untuk mencapai operasi logika. Secara khusus, peralihan satu perangkat didorong oleh keadaan konduktansi perangkat lainnya.

Komunikasi logis

Hingga saat ini, kata Emmerich, perangkat nanofluida telah dioperasikan dan diukur secara independen satu sama lain. Dia menambahkan bahwa perangkat baru “sekarang dapat berkomunikasi untuk mewujudkan komputasi logika.”

Iris Agresti, yang mengembangkan memristor kuantum di Universitas Wina, mengatakan bahwa meskipun ini bukan implementasi pertama dari memristor nanofluida, hal baru ini menunjukkan bagaimana beberapa perangkat dapat dihubungkan untuk melakukan operasi terkontrol. “Ini menyiratkan bahwa perilaku salah satu perangkat bergantung pada perangkat lainnya,” katanya.

Memristor kuantum membuka jalan bagi komputasi kuantum neuromorfik

Langkah selanjutnya, kata para peneliti EPFL, adalah membangun jaringan saraf nanofluida di mana unit memristif dihubungkan dengan saluran air. Tujuannya adalah untuk membuat sirkuit yang dapat melakukan tugas komputasi sederhana seperti pengenalan pola atau perkalian matriks. “Kami bermimpi membangun komputer elektrolitik yang mampu melakukan komputasi dengan komputer elektronik,” kata Radenovic.

Itu adalah tujuan jangka panjang dan ambisius. Namun pendekatan seperti ini menghadirkan dua keunggulan utama dibandingkan elektronik. Pertama, sistem ini akan menghindari panas berlebih yang biasanya terjadi pada kabel listrik, karena sistem ini akan menggunakan air sebagai kabel dan pendingin. Kedua, mereka dapat memperoleh manfaat dari penggunaan ion yang berbeda untuk menyelesaikan tugas yang setara dengan organisme hidup. Selain itu, kata Agresti, jaringan saraf tiruan dengan komponen nanofluida menjanjikan konsumsi energi yang lebih rendah.

Yanbo Xie, pakar nanofluida di Universitas Politeknik Northwestern di Tiongkok, menunjukkan bahwa memristor adalah komponen penting untuk chip komputer neuromorfik dan memainkan peran yang mirip dengan transistor dalam CPU. Sirkuit logika EPFL bisa menjadi “blok bangunan mendasar untuk mesin komputasi air di masa depan,” katanya. Juan Bisquert seorang ahli fisika terapan di Universitas James I di Castello, Spanyol, setuju. Perangkat tersebut “menunjukkan respons yang kuat,” katanya, dan menggabungkannya untuk menerapkan operasi logika Boolean “membuka jalan bagi sistem neuromorfik yang didasarkan pada sirkuit yang sepenuhnya cair.”

Pekerjaan dijelaskan dalam Elektronik Alam.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/