Nanofluidiska memristorer beräknar i hjärninspirerade logiska kretsar – Physics World

En memristor som använder förändringar i jonkoncentrationer och mekaniska deformationer för att lagra information har utvecklats av forskare vid EPFL i Lausanne, Schweiz. Genom att ansluta två av dessa enheter skapade forskarna den första logiska kretsen baserad på nanofluidiska komponenter. Den nya memristorn kan visa sig användbar för neuromorfisk beräkning, som försöker efterlikna hjärnan med hjälp av elektroniska komponenter.

I levande organismer förlitar sig neurala arkitekturer på flöden av joner som passerar genom små kanaler för att reglera överföringen av information över synapserna som förbinder en neuron till en annan. Detta joniska tillvägagångssätt är till skillnad från de bästa artificiella neurala systemen, som använder elektronströmmar för att efterlikna dessa synapser. Att bygga konstgjorda nanofluidiska neurala nätverk skulle kunna ge en närmare analogi till verkliga neurala system och kan också vara mer energieffektivt.

En memristor är ett kretselement med en resistans (och konduktans) som beror på strömmen som tidigare har passerat genom den – vilket innebär att enheten kan lagra information. Memristorn föreslogs första gången 1971, och sedan dess har forskare haft begränsad framgång med att skapa praktiska anordningar. Memristorer är av stor betydelse för neuromorfisk beräkning, eftersom de kan efterlikna biologiska synapsers förmåga att lagra information.

I denna senaste forskning, EPFL's Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic och deras kollegor tillverkade sina nanofluidiska memristorer med hjälp av en flytande blister som expanderar eller drar ihop sig när strömmar av solvatiserade joner flödade in i eller ut ur den, vilket ändrade dess konduktans.

Ikonisk och jonisk

År 2023 tog forskare ett betydande steg mot jonbaserad neuromorf beräkning när de upptäckte minneseffekter i två nanofluidiska enheter som reglerade jontransport över kanaler i nanoskala. När de utsattes för en tidsvarierande spänning visade dessa enheter en eftersläpande förändring i ström och konduktans. Detta är en memristors karaktäristiska "klämda" hysteresloop. Systemen hade dock svag minnesprestanda och var känsliga att tillverka. Dessutom var mekanismen som var ansvarig för minneseffekten oklar.

Men detta har inte avskräckt EPFL-teamet, som Emmerich förklarar: "Vi ville visa hur detta begynnande fält skulle kunna komplettera nanoelektroniken och leda till datortillämpningar i verkliga världen i framtiden".

För att skapa sin enhet tillverkade EPFL-forskarna ett 20 mikron gånger 20 mikron kiselnitridmembran ovanpå ett kiselchip, med en 100 nm-diameter por i mitten. På detta chip avsatte de palladiumöar med en diameter på 10 nm runt vilka vätska kunde flöda, genom att använda tekniker för avdunstning. Slutligen lade de till ett 50–150 nm tjockt grafitskikt, för att skapa kanaler som ledde till poren.

Liten blåsa

Efter att ha doppat enheten i en elektrolytlösning och applicerat en positiv spänning (0.4–1.0 V), observerade forskarna bildandet av en mikronskalig blåsa mellan kiselnitriden och grafiten ovanför den centrala poren. De drog slutsatsen att joner färdades genom kanaler och konvergerade i centrum, vilket ökade trycket där och ledde till blåsbildning. Denna blister fungerade som en resistiv "kortslutning" som ökade enhetens konduktans och placerade den i "på" tillstånd. Vid applicering av en negativ spänning av samma storlek tömdes blistret på luft och konduktansen minskade, vilket placerade enheten i "av"-tillstånd.

Eftersom det tog tid för blåsan att tömmas efter spänningsavstängningen kom enheten ihåg sitt tidigare tillstånd. "Vår optiska observation visade det mekano-joniska ursprunget för minnet", säger EPFL Nathan Ronceray.

Mätningar av strömmen som flyter genom enheten före och efter spänningsåterställningen visade att enheten fungerade med ett konduktansförhållande upp till 60 på en tidsskala av 1–2 s, vilket indikerar en minneseffekt som är två storleksordningar större än tidigare konstruktioner. Emmerich tillägger, "Detta är första gången som vi observerar ett så starkt memristivt beteende i en nanofluidisk enhet, som också har en skalbar tillverkningsprocess".

För att skapa en logisk krets kopplade teamet två av sina enheter parallellt till ett variabelt elektroniskt motstånd. Båda enheterna kommunicerade således tillsammans genom detta motstånd för att uppnå en logisk operation. I synnerhet drevs omkopplingen av en enhet av konduktanstillståndet hos den andra.

Logisk kommunikation

Fram till nu, säger Emmerich, har nanofluidiska enheter drivits och mätts oberoende av varandra. Han tillägger att de nya enheterna "nu kan kommunicera för att realisera logiska beräkningar."

Iris Agresti, som utvecklar kvantmemoristorer vid universitetet i Wien, säger att även om detta inte är den första implementeringen av en nanofluidisk memristor, visar nyheten hur flera enheter kan anslutas för att utföra kontrollerade operationer. "Detta innebär att beteendet hos en av enheterna beror på den andra", säger hon.

Quantum memristor banar väg för neuromorfisk kvantberäkning

Nästa steg, säger EPFL-forskarna, är att bygga nanofluidiska neurala nätverk där memristiva enheter kopplas samman med vattenkanaler. Målet är att skapa kretsar som kan utföra enkla beräkningsuppgifter som mönsterigenkänning eller matrismultiplikation. "Vi drömmer om att bygga elektrolytiska datorer som kan beräkna med sina elektroniska motsvarigheter", säger Radenovic.

Det är ett långsiktigt och ambitiöst mål. Men ett sådant tillvägagångssätt ger två viktiga fördelar jämfört med elektronik. För det första skulle systemen undvika överhettning som vanligtvis förknippas med elektriska ledningar, eftersom de skulle använda vatten som både ledningar och kylvätska. För det andra kan de dra nytta av att använda olika joner för att utföra fullständiga uppgifter i paritet med levande organismer. Dessutom, säger Agresti, lovar artificiella neurala nätverk med nanofluidiska komponenter lägre energiförbrukning.

Yanbo Xie, en nanofluidikexpert vid Nordvästra polytekniska universitetet i Kina, påpekar att memristorn är en kritisk komponent för ett neuromorft datorchip och spelar en liknande roll som en transistor i en CPU. EPFL-logikkretsen kan vara "en grundläggande byggsten för framtida vattenbaserade beräkningsmaskiner", säger han. Juan Bisquert en tillämpad fysiker vid University of James I i Castello, Spanien, håller med. Enheterna "uppvisar ett robust svar", säger han, och att kombinera dem för att implementera en boolesk logikoperation "banar väg för neuromorfa system baserade på helt flytande kretsar."

Arbetet beskrivs i Naturelektronik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/