Nowe urządzenie do obliczeń molekularnych ma bezprecedensowy potencjał rekonfiguracyjny, przypominający kolor mózgu

W odkryciu opublikowanym w czasopiśmie charakter temperamentu, Międzynarodowy zespół naukowców opisał nowe urządzenie molekularne o wyjątkowej pomysłowości obliczeniowej.

Przypominając elastyczność komunikacyjną ludzkiego mózgu, urządzenie można rekonfigurować w locie, aby wykonywać różne zadania obliczeniowe, po prostu zmieniając przyłożone napięcia. Co więcej, podobnie jak neurony mogą przechowywać wspomnienia, samo urządzenie może również przechowywać informacje do późniejszego wyszukiwania i przetwarzania.

Mózg ma niesamowitą zdolność do zmiany otaczających go przewodów poprzez tworzenie i przecinanie połączeń między neuronami. Dr R. powiedział. Stanley Williams, profesor na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Texas A&M University, powiedział, że osiągnięcie czegoś podobnego w systemie fizycznym było bardzo trudne. „Stworzyliśmy teraz urządzenie molekularne, które ma potencjał do radykalnej przebudowy, co osiąga się nie poprzez zmianę fizycznych połączeń, jak w mózgu, ale przez przeprogramowanie jego logiki”.

Dr T. Venkatesan, dyrektor Centrum Badań Kwantowych i Technologii (CQRT) na Uniwersytecie Oklahoma, członek naukowy Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Gaithersburgu oraz adiunkt inżynierii elektrycznej i komputerowej na Narodowym Uniwersytecie Singapur dodał, że ich urządzenia molekularne mogą w przyszłości pomóc w projektowaniu chipów przetwarzania nowej generacji o zwiększonej mocy obliczeniowej i szybkości, ale zużywających znacznie mniej energii.

Niezależnie od tego, czy jest to znajomy laptop, czy superkomputer wysokiej klasy, technologie cyfrowe napotykają wspólnego wroga – wąskie gardło von Neumanna. To opóźnienie w przetwarzaniu obliczeniowym jest konsekwencją obecnych architektur komputerowych, w których pamięć zawierająca dane i programy jest fizycznie oddzielona od procesora. W rezultacie komputery spędzają dużo czasu na przesyłaniu informacji między dwoma systemami, co powoduje dławienie. Ponadto, pomimo bardzo wysokich prędkości procesora, jednostki te mogą być bezczynne przez długi czas podczas okresów wymiany informacji.

Jako alternatywa dla tradycyjnych części elektronicznych używanych do projektowania modułów pamięci i procesorów, urządzenia zwane memrystorami zapewniają sposób na obejście wąskiego gardła von Neumanna. Memrystory, takie jak te wykonane z dwutlenku niobu i dwutlenku wanadu, z izolatora stają się przewodnikiem w określonej temperaturze. Ta właściwość daje tego typu memrystorom możliwość wykonywania obliczeń i przechowywania danych.

Jednak pomimo wielu zalet, te memrystory z tlenku metalu są wykonane z pierwiastków ziem rzadkich i mogą działać tylko w ograniczonych reżimach temperaturowych. W związku z tym trwają poszukiwania obiecujących cząsteczek organicznych, które mogą pełnić podobną funkcję memrystyczną, powiedział Williams.

Dr Sriprata Goswami, profesor w Indyjskim Stowarzyszeniu Kultywacji Nauki, zaprojektował materiały użyte w tej pracy. Kompleks zawiera centralny minerał kukurydza (żelazo) jest połączone z trzema cząsteczkami organicznymi fenyloazopirydyny zwanymi wiązaniami.

„To zachowuje się jak elektroniczna gąbka, która może odwracalnie wchłonąć do sześciu elektronów, co skutkuje siedmioma różnymi stanami redoks” – powiedział Sriprata. „Wzajemne relacje między tymi stanami są kluczem do rekonfiguracji opisanej w tej pracy”.

Dr Sritush Goswami, naukowiec z National University of Singapore, opracował projekt, tworząc mikroukład składający się z 40-nanometrowej warstwy molekularnej warstwy umieszczonej pomiędzy warstwą złota na górze i nanodyskiem polerowanym złotem i tlenkiem cyny indu. Na dnie.

Kiedy do urządzenia przyłożono ujemne napięcie, Sritosh zobaczył profil napięcia prądu, jakiego nikt wcześniej nie widział. W przeciwieństwie do memrystorów z tlenków metali, które mogą przełączać się z metalu na izolator przy tylko jednym stałym napięciu, organiczne urządzenia molekularne mogą przełączać się z izolatora na przewodnik przy oddzielnym napięciu szeregowym.

„Jeśli więc pomyślisz o urządzeniu jako o wyłączniku, w którym napięcie było bardziej ujemne, urządzenie początkowo przechodziło od włączenia do wyłączenia, następnie wyłączenia do włączenia, następnie włączenia do wyłączenia i ponownego włączenia” – powiedział Venkatesan. : „Powiem, że po prostu zdmuchnęliśmy się z miejsca”. „Musieliśmy przekonać się, że to, co widzimy, jest prawdziwe”.

Sreetosh i Sreebrata zbadali mechanizmy molekularne leżące u podstaw dziwnego zachowania przełączania za pomocą techniki obrazowania zwanej spektroskopią Ramana. W szczególności poszukiwali sygnatur widmowych w ruchu wibracyjnym cząsteczki organicznej, które mogłyby wyjaśnić wielokrotne przejścia. Ich badania wykazały, że zmienne napięcia ujemne zmuszały wiązania na cząsteczce do przejścia serii zdarzeń redukcji lub wzmocnienia elektronowego, które spowodowały przejście cząsteczki między stanem poza stanem a stanem.

Następnie, aby matematycznie opisać bardzo złożony profil prądowo-napięciowy urządzenia molekularnego, Williams odszedł od tradycyjnego podejścia do podstawowych równań opartych na fizyce. Zamiast tego opisz zachowanie cząstek za pomocą algorytmu drzewa decyzyjnego za pomocą instrukcji „jeśli-to-inaczej”, co jest powszechną linią kodu w wielu programach komputerowych, zwłaszcza w grach cyfrowych.

„Gry wideo mają strukturę, w której masz postać, która coś robi, a następnie coś się dzieje. I tak, jeśli zapiszesz to w algorytmie komputerowym, to jest to „jeśli. „Miałem eureka, używając drzew decyzyjnych do opisania tych urządzeń i działało bardzo dobrze”.

Ale naukowcy posunęli się tak daleko, że wykorzystali te urządzenia molekularne do uruchamiania programów do różnych zadań obliczeniowych w świecie rzeczywistym. Sreetosh wykazał eksperymentalnie, że ich maszyny mogą wykonywać dość złożone obliczenia w jednym kroku czasowym, a następnie zostać przeprogramowane do wykonania innego zadania w następnej chwili.

„To było bardzo niezwykłe; nasz aparat robił coś podobnego do tego, co robi mózg, ale w zupełnie inny sposób” – powiedział Sritosh „Kiedy nauczysz się czegoś nowego lub kiedy zdecydujesz, mózg może faktycznie przekonfigurować i zmienić fizyczne przewody wokół to. Podobnie możemy logicznie przeprogramować lub przekonfigurować nasze urządzenia, dając im inny impuls napięcia, niż widzieliśmy wcześniej”.

Venkatesan zauważył, że do wykonania tych samych funkcji obliczeniowych, co jedno z ich urządzeń molekularnych z różnymi drzewami decyzyjnymi, potrzeba tysięcy tranzystorów. Dlatego powiedział, że ich technologia może być najpierw wykorzystana w urządzeniach mobilnych, takich jak telefony komórkowe i czujniki, oraz w innych zastosowaniach, w których moc jest ograniczona.

Odniesienie: „Drzewa decyzyjne w memrystorze molekularnym” Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1 września 2021 r., Dostępny tutaj. charakter temperamentu.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0

Inni współautorzy badań to dr Abhijit Batra i dr Ariando z National University of Singapore; Rajeb Bramanik i dr. Santi Prasad Rath z Indyjskiego Stowarzyszenia Kultywacji Nauki; Dr.. Martin Folten z Hewlett Packard Enterprise, Kolorado; oraz dr Damian Thompson z Uniwersytetu w Limerick w Irlandii.

Venkatesan powiedział, że te badania wskazują na przyszłe odkrycia tego wspólnego zespołu, który będzie obejmował Centrum Nanonauki i Inżynierii w Indyjskim Instytucie Nauki oraz Departament Mikrosystemów i Nanotechnologii w Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST).

Te interdyscyplinarne i wielonarodowe badania były wspierane przez Singapurską Narodową Fundację Badawczą w ramach jej konkurencyjnych programów badawczych; Rada ds. Badań Naukowych i Inżynieryjnych, Indie; Texas A&M Presidential Fund of Excellence X-Grants Program; Science, Technology and Research, Singapur, w ramach indywidualnych grantów badawczych na zaawansowaną produkcję i inżynierię; fundusze startowe na CQRT University of Oklahoma; i Science Foundation, Irlandia.