A svájci lausanne-i EPFL kutatói kifejlesztettek egy memrisztort, amely az ionkoncentráció változásait és a mechanikai deformációkat használja az információk tárolására. Ezen eszközök közül kettő összekapcsolásával a kutatók létrehozták az első nanofluidikus komponenseken alapuló logikai áramkört. Az új memrisztor hasznosnak bizonyulhat a neuromorf számítástechnikában, amely az agyat próbálja utánozni elektronikus alkatrészek segítségével.

Az élő szervezetekben a neurális architektúrák az apró csatornákon áthaladó ionok áramlására támaszkodnak, hogy szabályozzák az információátvitelt az egyik neuront a másikkal összekötő szinapszisokon keresztül. Ez az ionos megközelítés nem hasonlít a legjobb mesterséges neurális rendszerekhez, amelyek elektronáramokat használnak a szinapszisok utánzására. A mesterséges nanofluidikus neurális hálózatok építése közelebbi analógiát nyújthat a valódi neurális rendszerekhez, és energiahatékonyabb is lehet.

A memrisztor egy olyan áramköri elem, amelynek ellenállása (és vezetőképessége) az előzőleg áthaladó áramtól függ – vagyis a készülék információkat tárolhat. A memristort először 1971-ben javasolták, és azóta a kutatók korlátozott sikerrel jártak gyakorlati eszközök létrehozásában. A memrisztorok nagy jelentőségűek a neuromorf számítástechnikában, mivel képesek utánozni a biológiai szinapszisok információtároló képességét.

Ebben a legújabb kutatásban az EPFL Théo Emmerich, Aleksandra Radenovic és kollégáik folyékony buborékfóliával készítették nanofluidikus memrisztoraikat, amely kitágul vagy összehúzódik, amikor szolvatált ionok árama folyik be vagy ki, megváltoztatva a vezetőképességét.

Ikonikus és ionos

2023-ban a kutatók jelentős lépést tettek az ionalapú neuromorf számítástechnika felé, amikor két nanofluidikus eszközben memóriahatásokat fedeztek fel, amelyek szabályozták az ionszállítást a nanoméretű csatornákon keresztül. Amikor időben változó feszültségnek voltak kitéve, ezek az eszközök késleltetett változást mutattak az áramban és a vezetőképességben. Ez a memrisztor jellegzetes „becsípett” hiszterézis hurokja. A rendszerek azonban gyenge memóriateljesítményűek voltak, és bonyolult volt a gyártás. Ezen túlmenően a memóriaeffektusért felelős mechanizmus nem volt világos.

Ez azonban nem tántorította el az EPFL csapatát, ahogy Emmerich kifejti: „Meg akartuk mutatni, hogy ez a születőben lévő terület hogyan egészítheti ki a nanoelektronikát, és hogyan vezethet a jövőben valós számítástechnikai alkalmazásokhoz”.

Készülékük elkészítéséhez az EPFL kutatói egy 20 mikron x 20 mikronos szilícium-nitrid membránt készítettek egy szilícium chip tetejére, 100 nm átmérőjű pórussal a közepén. Ezen a chipen 10 nm átmérőjű palládiumszigeteket helyeztek el, amelyek körül a folyadék áramolhatott párolgásos leválasztási technikák alkalmazásával. Végül hozzáadtak egy 50-150 nm vastag grafitréteget, hogy a pórusokhoz vezető csatornákat hozzanak létre.

Apró hólyag

Az eszközt elektrolitoldatba mártva és pozitív feszültséget (0.4–1.0 V) alkalmazva a kutatók mikronos méretű hólyag kialakulását figyelték meg a szilícium-nitrid és a központi pórus feletti grafit között. Arra a következtetésre jutottak, hogy az ionok a csatornákon keresztül haladva a központban konvergálnak, növelve ott a nyomást, és hólyagképződéshez vezetnek. Ez a buborékfólia rezisztív „rövidzárlatként” működött, ami növelte az eszköz vezetőképességét, és „bekapcsolt” állapotba helyezte azt. Azonos nagyságú negatív feszültség alkalmazásakor a buborékfólia leeresztett és a konduktancia csökkent, így a készülék kikapcsolt állapotba került.

Mivel a buborékfólia leeresztése a feszültség lekapcsolását követően időbe telt, a készülék emlékezett korábbi állapotára. „Optikai megfigyelésünk megmutatta a memória mechanikai-ionos eredetét” – mondja az EPFL Nathan Ronceray.

A készüléken átfolyó áramerősség mérése a feszültség visszaállítása előtt és után azt mutatta, hogy a készülék 60-1 másodperces időskálán 2-ig terjedő vezetőképességi aránnyal működött, ami két nagyságrenddel nagyobb memóriaeffektust jelez, mint a korábbi tervek. Emmerich hozzáteszi: "Ez az első alkalom, hogy ilyen erős memristív viselkedést figyelünk meg egy nanofluidikus eszközben, amely méretezhető gyártási folyamattal is rendelkezik."

A logikai áramkör létrehozásához a csapat két eszközét párhuzamosan csatlakoztatta egy változó elektronikus ellenálláshoz. A két eszköz így együtt kommunikált ezen az ellenálláson keresztül, hogy logikai műveletet hajtson végre. Különösen az egyik eszköz kapcsolását a másik vezetőképességi állapota vezérelte.

Logikus kommunikáció

Emmerich elmondása szerint eddig a nanofluidikus eszközöket egymástól függetlenül működtették és mérték. Hozzáteszi, hogy az új eszközök „most már képesek kommunikálni a logikai számítások megvalósítása érdekében”.

Iris Agresti, aki a Bécsi Egyetemen kvantummemrisztorokat fejleszt, azt mondja, hogy bár nem ez az első megvalósítása egy nanofluidikus memrisztornak, az újdonság azt mutatja be, hogyan lehet több eszközt összekapcsolni ellenőrzött műveletek végrehajtásához. „Ez azt jelenti, hogy az egyik eszköz viselkedése a másiktól függ” – mondja.

A kvantummemrisztor megnyitja az utat a neuromorf kvantumszámítás előtt

A következő lépés az EPFL kutatói szerint nanofluidikus neurális hálózatok kiépítése, ahol a memristív egységeket vízcsatornákkal kötik össze. A cél olyan áramkörök létrehozása, amelyek egyszerű számítási feladatokat, például mintafelismerést vagy mátrixszorzást képesek végrehajtani. „Arról álmodozunk, hogy elektrolitikus számítógépeket építsünk, amelyek képesek számolni elektronikus megfelelőikkel” – mondja Radenovic.

Ez egy hosszú távú és ambiciózus cél. De ez a megközelítés két fő előnyt jelent az elektronikával szemben. Először is, a rendszerek elkerülnék a tipikusan elektromos vezetékekkel járó túlmelegedést, mert vizet használnának vezetékként és hűtőfolyadékként is. Másodszor, előnyös lehet számukra, ha különböző ionokat használnak az élő szervezetekkel egyenrangú teljes feladatok végrehajtására. Ráadásul Agresti szerint a nanofluidikus összetevőket tartalmazó mesterséges neurális hálózatok alacsonyabb energiafogyasztást ígérnek.

Yanbo Xie, a nanofluidika szakértője Északnyugati Műszaki Egyetem Kínában rámutat, hogy a memrisztor kritikus eleme egy neuromorf számítógépes chipnek, és hasonló szerepet játszik, mint a CPU tranzisztorja. Az EPFL logikai áramkör „a jövő vizes számítástechnikai gépeinek alapvető építőköve lehet” – mondja. Juan Bisquert egyetért a spanyolországi Castelloban található I. Jakab Egyetem alkalmazott fizikusa. Az eszközök „erőteljes választ mutatnak” – mondja, és a logikai logikai művelet végrehajtásával való kombinálása „kikövezi az utat a teljesen folyékony áramkörökön alapuló neuromorf rendszerek számára”.

A munka leírása a Természeti elektronika.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/nanofluidic-memristors-compute-in-brain-inspired-logic-circuits/