Memristorii nanofluidici calculează în circuite logice inspirate de creier – Physics World

Un memristor care folosește modificările concentrațiilor ionilor și deformațiile mecanice pentru a stoca informații a fost dezvoltat de cercetătorii de la EPFL din Lausanne, Elveția. Prin conectarea a două dintre aceste dispozitive, cercetătorii au creat primul circuit logic bazat pe componente nanofluide. Noul memristor s-ar putea dovedi util pentru calcularea neuromorfă, care încearcă să imite creierul folosind componente electronice.

În organismele vii, arhitecturile neuronale se bazează pe fluxurile de ioni care trec prin canale minuscule pentru a regla transmiterea informațiilor prin sinapsele care conectează un neuron la altul. Această abordare ionică este diferită de cele mai bune sisteme neuronale artificiale, care folosesc curenți de electroni pentru a imita aceste sinapse. Construirea de rețele neuronale artificiale nanofluide ar putea oferi o analogie mai apropiată cu sistemele neuronale reale și ar putea fi, de asemenea, mai eficiente din punct de vedere energetic.

Un memristor este un element de circuit cu o rezistență (și conductanță) care depinde de curentul care a trecut anterior prin el - ceea ce înseamnă că dispozitivul poate stoca informații. Memristorul a fost propus pentru prima dată în 1971, iar de atunci cercetătorii au avut un succes limitat în crearea de dispozitive practice. Memristorii sunt de mare importanță pentru calculul neuromorf, deoarece pot imita capacitatea sinapselor biologice de a stoca informații.

În această ultimă cercetare, EPFL Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic iar colegii lor și-au creat memristorii nanofluidici folosind un blister lichid care se dilată sau se contractă atunci când curenții de ioni solvați au intrat sau ieșit din el, schimbându-i conductanța.

Iconic și ionic

În 2023, cercetătorii au făcut un pas semnificativ către calculul neuromorfic bazat pe ioni, când au descoperit efecte de memorie în două dispozitive nanofluide care reglementează transportul ionilor pe canalele nanometrice. Când au fost supuse unei tensiuni care variază în timp, aceste dispozitive au afișat o schimbare întârziată a curentului și a conductanței. Aceasta este bucla de histerezis „prinsă” caracteristică unui memristor. Cu toate acestea, sistemele aveau performanțe slabe de memorie și erau delicate de fabricat. În plus, mecanismul responsabil pentru efectul de memorie a fost neclar.

Dar acest lucru nu a descurajat echipa EPFL, după cum explică Emmerich: „Am vrut să arătăm cum acest domeniu în curs de dezvoltare ar putea fi complementar cu nanoelectronica și ar putea duce la aplicații de calcul în lumea reală în viitor”.

Pentru a-și crea dispozitivul, cercetătorii EPFL au fabricat o membrană de nitrură de siliciu de 20 microni pe 20 microni deasupra unui cip de siliciu, cu un por cu diametrul de 100 nm în centru. Pe acest cip, au depus insule de paladiu cu diametrul de 10 nm în jurul cărora fluidul ar putea curge, utilizând tehnici de depunere evaporativă. În cele din urmă, au adăugat un strat de grafit gros de 50-150 nm, pentru a crea canale care au condus la por.

Blister minuscul

După scufundarea dispozitivului într-o soluție de electrolit și aplicarea unei tensiuni pozitive (0.4–1.0 V), cercetătorii au observat formarea unei blistere la scară de microni între nitrura de siliciu și grafitul deasupra porului central. Ei au ajuns la concluzia că ionii au călătorit prin canale și au convergit în centru, crescând presiunea acolo și ducând la formarea de vezicule. Acest blister a acționat ca un „scurtcircuit” rezistiv care a crescut conductanța dispozitivului, punându-l în starea „pornit”. La aplicarea unei tensiuni negative de aceeași mărime, blisterul s-a dezumflat și conductanța a scăzut, punând dispozitivul în starea „oprit”.

Deoarece blisterul a durat să se dezumfle după oprirea tensiunii, dispozitivul și-a amintit starea anterioară. „Observația noastră optică a arătat originea mecano-ionică a memoriei”, spune EPFL. Nathan Ronceray.

Măsurătorile curentului care curge prin dispozitiv înainte și după resetarea tensiunii au arătat că dispozitivul a funcționat cu un raport de conductanță de până la 60 pe o scală de timp de 1-2 s, indicând un efect de memorie cu două ordine de mărime mai mare decât modelele anterioare. Emmerich adaugă: „Este pentru prima dată când observăm un comportament memristiv atât de puternic într-un dispozitiv nanofluid, care are, de asemenea, un proces de fabricație scalabil”.

Pentru a crea un circuit logic, echipa a conectat două dintre dispozitivele lor în paralel la un rezistor electronic variabil. Ambele dispozitive au comunicat astfel împreună prin acest rezistor pentru a realiza o operație logică. În special, comutarea unui dispozitiv a fost condusă de starea de conductanță a celuilalt.

Comunicare logică

Până acum, spune Emmerich, dispozitivele nanofluide au fost operate și măsurate independent unele de altele. El adaugă că noile dispozitive „pot comunica acum pentru a realiza calcule logice”.

Iris Agresti, care dezvoltă memristori cuantici la Universitatea din Viena, spune că, deși aceasta nu este prima implementare a unui memristor nanofluidic, noutatea arată modul în care mai multe dispozitive pot fi conectate pentru a efectua operațiuni controlate. „Acest lucru implică faptul că comportamentul unuia dintre dispozitive depinde de celălalt”, spune ea.

Memristorul cuantic deschide calea pentru calculul cuantic neuromorf

Următorul pas, spun cercetătorii EPFL, este de a construi rețele neuronale nanofluide în care unitățile memristive sunt conectate împreună cu canalele de apă. Scopul este de a crea circuite care pot efectua sarcini simple de calcul, cum ar fi recunoașterea modelelor sau multiplicarea matricelor. „Visăm să construim computere electrolitice capabile să calculeze cu omologii lor electronici”, spune Radenovic.

Acesta este un obiectiv pe termen lung și ambițios. Dar o astfel de abordare prezintă două avantaje cheie față de electronică. În primul rând, sistemele ar evita supraîncălzirea asociată de obicei cu firele electrice, deoarece ar folosi apă atât ca fire, cât și ca lichid de răcire. În al doilea rând, ei ar putea beneficia de pe urma utilizării diferiților ioni pentru a executa sarcini complete la egalitate cu organismele vii. Mai mult, spune Agresti, rețelele neuronale artificiale cu componente nanofluide promit un consum mai mic de energie.

Yanbo Xie, expert în nanofluidică la Universitatea Politehnică din Nord-Vest în China, subliniază că memristorul este o componentă critică pentru un cip de computer neuromorf și joacă un rol similar cu un tranzistor dintr-un procesor. Circuitul logic EPFL ar putea fi „un element fundamental pentru viitoarele mașini de calcul apoase”, spune el. Juan Bisquert un fizician aplicat de la Universitatea James I din Castello, Spania, este de acord. Dispozitivele „arata un raspuns robust”, spune el, iar combinarea lor pentru a implementa o operatie logica booleana „deschiseaza calea pentru sisteme neuromorfe bazate pe circuite complet lichide”.

Lucrarea este descrisă în Electronica naturii.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/