Nanofluïdische memristors berekenen in door de hersenen geïnspireerde logische circuits - Physics World

Een memristor die veranderingen in ionenconcentraties en mechanische vervormingen gebruikt om informatie op te slaan, is ontwikkeld door onderzoekers van EPFL in Lausanne, Zwitserland. Door twee van deze apparaten met elkaar te verbinden, creëerden de onderzoekers het eerste logische circuit op basis van nanofluïdische componenten. De nieuwe memristor zou nuttig kunnen zijn voor neuromorfisch computergebruik, waarbij de hersenen worden nagebootst met behulp van elektronische componenten.

In levende organismen zijn neurale architecturen afhankelijk van ionenstromen die door kleine kanalen gaan om de overdracht van informatie over de synapsen die het ene neuron met het andere verbinden, te reguleren. Deze ionische benadering is anders dan de beste kunstmatige neurale systemen, die elektronenstromen gebruiken om deze synapsen na te bootsen. Het bouwen van kunstmatige nanofluïdische neurale netwerken zou een nauwere analogie kunnen bieden met echte neurale systemen, en zou ook energiezuiniger kunnen zijn.

Een memristor is een circuitelement met een weerstand (en geleiding) die afhangt van de stroom die er eerder doorheen is gegaan – wat betekent dat het apparaat informatie kan opslaan. De memristor werd voor het eerst voorgesteld in 1971 en sindsdien hebben onderzoekers beperkt succes gehad bij het creëren van praktische apparaten. Memristors zijn van groot belang bij neuromorfisch computergebruik, omdat ze het vermogen van biologische synapsen om informatie op te slaan kunnen nabootsen.

In dit laatste onderzoek zijn EPFL's Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic en hun collega's maakten hun nanofluïdische memristors met behulp van een vloeibare blister die uitzet of samentrekt wanneer stromen van gesolvateerde ionen erin of eruit stroomden, waardoor de geleiding ervan veranderde.

Iconisch en ionisch

In 2023 zetten onderzoekers een belangrijke stap in de richting van op ionen gebaseerd neuromorfisch computergebruik toen ze geheugeneffecten ontdekten in twee nanofluïdische apparaten die het ionentransport over kanalen op nanoschaal reguleerden. Wanneer ze werden blootgesteld aan een in de tijd variërende spanning, vertoonden deze apparaten een achterblijvende verandering in stroom en geleiding. Dit is de karakteristieke “geknepen” hysteresislus van een memristor. De systemen hadden echter zwakke geheugenprestaties en waren delicaat te fabriceren. Bovendien was het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het geheugeneffect onduidelijk.

Maar dit heeft het EPFL-team niet afgeschrikt, zoals Emmerich uitlegt: “We wilden laten zien hoe dit opkomende veld complementair zou kunnen zijn aan nano-elektronica en zou kunnen leiden tot real-world computertoepassingen in de toekomst”.

Om hun apparaat te maken, vervaardigden de EPFL-onderzoekers een siliciumnitride-membraan van 20 micron bij 20 micron bovenop een siliciumchip, met een porie met een diameter van 100 nm in het midden. Op deze chip hebben ze palladiumeilanden met een diameter van 10 nm afgezet waarrond vloeistof kon stromen, met behulp van verdampingsdepositietechnieken. Ten slotte voegden ze een grafietlaag van 50-150 nm dik toe om kanalen te creëren die naar de porie leidden.

Klein blaartje

Nadat ze het apparaat in een elektrolytoplossing hadden gedoopt en een positieve spanning (0.4–1.0 V) hadden aangelegd, observeerden de onderzoekers de vorming van een blaar op micronschaal tussen het siliciumnitride en het grafiet boven de centrale porie. Ze concludeerden dat ionen door kanalen reisden en in het midden samenkwamen, waardoor de druk daar toenam en tot blaarvorming leidde. Deze blister fungeerde als een resistieve “kortsluiting” die de geleiding van het apparaat verhoogde, waardoor het in de “aan”-status kwam te staan. Bij het aanleggen van een negatieve spanning van dezelfde grootte liep de blister leeg en nam de geleiding af, waardoor het apparaat in de “uit”-status kwam te staan.

Omdat het enige tijd duurde voordat de blister leegliep nadat de spanning was uitgeschakeld, herinnerde het apparaat zich de vorige toestand. "Onze optische observatie toonde de mechano-ionische oorsprong van het geheugen aan", zegt EPFL's Nathan Ronceray.

Metingen van de stroom die door het apparaat vloeide voor en na het resetten van de spanning toonden aan dat het apparaat werkte met een geleidingsverhouding tot 60 op een tijdschaal van 1 à 2 s, wat wijst op een geheugeneffect dat twee ordes van grootte groter is dan eerdere ontwerpen. Emmerich voegt hieraan toe: “Dit is de eerste keer dat we zo’n sterk memristief gedrag waarnemen in een nanofluïdisch apparaat, dat ook een schaalbaar fabricageproces heeft.”

Om een ​​logisch circuit te creëren, heeft het team twee van hun apparaten parallel aangesloten op een variabele elektronische weerstand. Beide apparaten communiceerden dus met elkaar via deze weerstand om een ​​logische werking te bereiken. In het bijzonder werd het schakelen van het ene apparaat aangedreven door de geleidingstoestand van het andere.

Logische communicatie

Tot nu toe, zegt Emmerich, werden nanofluïdische apparaten onafhankelijk van elkaar bediend en gemeten. Hij voegt eraan toe dat de nieuwe apparaten “nu kunnen communiceren om logische berekeningen te realiseren.”

Iris Agresti, die kwantummemristors ontwikkelt aan de Universiteit van Wenen, zegt dat hoewel dit niet de eerste implementatie van een nanofluïdische memristor is, de nieuwigheid laat zien hoe meerdere apparaten kunnen worden aangesloten om gecontroleerde bewerkingen uit te voeren. “Dit houdt in dat het gedrag van het ene apparaat afhankelijk is van het andere”, zegt ze.

Quantum memristor maakt de weg vrij voor neuromorfe kwantumcomputers

De volgende stap, zeggen de EPFL-onderzoekers, is het bouwen van nanofluïdische neurale netwerken waarin memristieve eenheden met waterkanalen zijn verbonden. Het doel is om circuits te creëren die eenvoudige computertaken kunnen uitvoeren, zoals patroonherkenning of matrixvermenigvuldiging. “Wij dromen ervan elektrolytische computers te bouwen die kunnen vergelijken met hun elektronische tegenhangers”, zegt Radenovic.

Dat is een ambitieus langetermijndoel. Maar een dergelijke aanpak biedt twee belangrijke voordelen ten opzichte van elektronica. Ten eerste zouden de systemen de oververhitting vermijden die doorgaans gepaard gaat met elektrische draden, omdat ze water als zowel de draden als het koelmiddel zouden gebruiken. Ten tweede zouden ze baat kunnen hebben bij het gebruik van verschillende ionen om complete taken uit te voeren die vergelijkbaar zijn met die van levende organismen. Bovendien, zegt Agresti, beloven kunstmatige neurale netwerken met nanofluïdische componenten een lager energieverbruik.

Yanbo Xie, een nanofluïdica-expert bij Northwestern Polytechnical University in China wijst erop dat de memristor een cruciaal onderdeel is van een neuromorfe computerchip en een vergelijkbare rol speelt als een transistor in een CPU. Het logische EPFL-circuit zou “een fundamentele bouwsteen kunnen zijn voor toekomstige waterige computermachines”, zegt hij. John Bisquert een toegepast natuurkundige aan de Universiteit van James I in Castello, Spanje, is het daarmee eens. De apparaten “laten een robuuste respons zien”, zegt hij, en door ze te combineren om een ​​Booleaanse logische operatie te implementeren “maakt de weg vrij voor neuromorfe systemen gebaseerd op volledig vloeibare circuits.”

Het werk wordt beschreven in Natuurelektronica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/