Nova molekularna računalniška naprava ima izjemno zmogljivost za ponovno konfiguriranje, ki spominja na plastičnost možganov

V odkritju, objavljenem v reviji Narava, Mednarodna skupina raziskovalcev je opisala novo molekularno napravo z izjemno računalniško močjo.

Napravo, ki spominja na plastičnost povezav v človeških možganih, je mogoče na hitro konfigurirati za različne računske naloge s preprosto spremembo uporabljene napetosti. Poleg tega, tako kot lahko živčne celice shranjujejo spomine, lahko ista naprava hrani tudi podatke za prihodnje pridobivanje in obdelavo.

“Možgani imajo izjemno sposobnost, da spremenijo svoje ožičenje tako, da vzpostavijo in prekinejo povezave med živčnimi celicami. Doseči nekaj primerljivega v fizičnem sistemu je bil izredno zahteven,” je dejal dr. R. Stanley Williams, profesor za elektrotehniko in računalništvo na univerzi Texas A&M University. “Zdaj smo ustvarili molekularno napravo z dramatično rekonfiguracijo, ki je dosežena ne s spreminjanjem fizičnih povezav v možganih, ampak z reprogramiranjem njene logike.”

Dr. T. Venkatesan, direktor Centra za kvantne raziskave in tehnologijo (CQRT) na Univerzi v Oklahomi, znanstvena povezava na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo v Gaithersburgu ter docent za elektrotehniko in računalništvo na Nacionalni univerzi v Singapur je dejal, da bi njihova molekularna naprava lahko v prihodnosti pomagala oblikovati naslednjo generacijo procesorskih čipov z izboljšano računsko močjo in hitrostjo, vendar porabi bistveno manj energije.

Ne glede na to, ali gre za znani prenosni računalnik ali prefinjen superračunalnik, se digitalne tehnologije soočajo s skupnim sovražnikom, von Neumannovo pregrado. Ta zamuda pri računalniški obdelavi je posledica trenutne računalniške arhitekture, v kateri je pomnilnik, ki vsebuje podatke in programe, fizično ločen od procesorja. Posledično računalniki porabijo veliko časa za premešanje informacij med obema sistemoma, kar povzroči prekinitve. Kljub izjemno visoki hitrosti procesorja lahko te enote med obdobji izmenjave informacij dlje časa ne delujejo.

Naprave, imenovane memristorji, omogočajo premagovanje ozkega grla von Neumanna kot alternativo tradicionalnim elektronskim delom, ki se uporabljajo za oblikovanje pomnilniških enot in procesorjev. Memristorji, na primer iz niobijevega dioksida in vanadijevega dioksida, prehajajo iz izolatorja v prevodnik pri določeni temperaturi. Ta lastnost daje tem vrstam memristorjev možnost izvajanja izračunov in shranjevanja podatkov.

READ  Ali lahko cepiva Pfizer ali Moderna mRNA COVID vplivata na vašo genetsko kodo?

Kljub številnim prednostim so ti memristorji iz kovinskega oksida izdelani iz redkih zemeljskih elementov in lahko delujejo le v omejenem temperaturnem režimu. Zato se iskanje obetavnih organskih molekul, ki lahko opravljajo primerljivo funkcijo zapomnitve, nadaljuje Williams.

Profesorica dr. Sribrata Goswami iz Indijskega združenja za gojenje znanosti je oblikovala material, uporabljen v tem delu. Spojina ima osrednjo kovino jedrski (železo) Trije fenil azo piridini, vezani na organske molekule, imenovane ligandi.

“Obnaša se kot elektronska goba, ki lahko reverzibilno absorbira šest elektronov, kar ima za posledico sedem različnih redoks stanj,” je dejal Sribrata. “Medsebojna povezanost med temi stanji je ključ za rekonfiguracijo, prikazano v tem delu.”

Sreetosh Goswami, raziskovalec na Nacionalni univerzi v Singapurju, se je lotil tega projekta z ustvarjanjem majhnega električnega vezja, ki je sestavljeno iz 40-nanometrske plasti molekularnega filma z zlato plastjo na vrhu in nanodiski, pritrjenimi na zlato in indijev kositrov oksid. Na sredini je sendvič. na dnu.

Sreetosh je ob uporabi negativne napetosti na napravi opazil profil tokovne napetosti, za razliko od česar koli, ki ga je kdo videl prej. Za razliko od kovinsko-oksidnih memristorjev, ki lahko prehajajo iz kovine v izolator samo pri določeni napetosti, lahko organske molekularne naprave prehajajo naprej in nazaj iz izolatorja v prevodnik pri različnih zaporednih napetostih.

“Torej, če mislite, da je naprava stikalo za vklop-izklop, ker smo napetost obračali bolj negativno, je naprava najprej ugasnila tok, nato se je vklopila, nato vklopila in nato spet vklopila. Gaya. Rekel bi razstrelili so nas s sedežev, “je dejal Venkatesan.” Morali smo se prepričati, da je to, kar vidimo, resnično. “

Sreetosh in Sribrata sta s slikovno tehniko, imenovano Ramanova spektroskopija, raziskala molekularne mehanizme, na katerih temelji radovedno preklapljanje. Zlasti so iskali spektralne podpise v vibracijskem gibanju organske molekule, ki bi lahko razložili številne prehode. Njihova preiskava je pokazala, da je širjenje negativne napetosti povzročilo, da so bili ligandi v molekuli podvrženi vrsti redukcije ali elektronskega dobička, kar je povzročilo prehod molekule med izklopljenim stanjem in stanjem.

READ  Downtown DSM bo blokiral ceste za rekreacijsko četrt

Nato je Williams odstopil od tradicionalnega pristopa osnovnih fizikalnih enačb, da bi matematično opisal izredno zapletene tokovno-napetostne profile molekularne naprave. Namesto tega so opisali vedenje molekul z uporabo algoritma drevesa odločitev z izjavami “če-potem-drugače”, skupno vrstico kode v številnih računalniških programih, zlasti v digitalnih igrah.

“Video igre imajo strukturo, v kateri imate lik, ki nekaj naredi, nato pa se zaradi tega nekaj zgodi. In tako, če to napišete v računalniškem algoritmu, so to izjave če-potem,” je dejal Williams. “Tu se molekula od uporabljene napetosti naprej in nazaj izklopi in takrat sem imel trenutek eureke, da sem za opis teh naprav uporabil drevesa odločitev in se je odlično obnesel.”

Toda raziskovalci so naredili korak dlje, da bi izkoristili ta molekularna orodja za programiranje različnih računalniških nalog v resničnem svetu. Sreetosh je eksperimentalno pokazal, da lahko njegova naprava hkrati izvede precej zapletene izračune, nato pa bi jo lahko v naslednjem trenutku ponovno programirali za opravljanje druge naloge.

“Bilo je precej nenavadno; naša naprava je delala nekaj, kar naj bi počeli možgani, vendar na zelo drugačen način,” je dejal Sreetosh. “Ko se učite česa novega ali ko sprejemate odločitve, lahko možgani dejansko znova konfigurirajo in zamenjajo fizično ožičenje. Podobno logično reprogramiramo ali reprogramiramo naše naprave tako, da jim damo drugačen napetostni impulz. Lahko konfiguriramo, kot so videli prej. “

Venkatesan je opozoril, da bi potrebovali na tisoče tranzistorjev za izvajanje računskih nalog, podobnih eni od njegovih molekularnih naprav, z različnimi drevesi odločanja. Zato je dejal, da bi lahko njegovo tehnologijo najprej uporabili v ročnih napravah, kot so mobilni telefoni in senzorji, ter v drugih aplikacijah, kjer je moč omejena.

READ  Skrivno vesoljsko letalo ameriških vesoljskih sil X-37B: 10 presenetljivih dejstev

Reference: Sritosh Goswami, Rajiv Pramanik, Abhijit Patra, Shanti Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sribrata Goswami in R. “Drevo odločitev v molekularnem memristorju” Stanleyja Williamsa, 1. september 2021, Narava.
DOI: 10.1038/s41586-021-03748-0

Drugi sodelavci raziskave so dr. Abhijit Patra in dr. Ariando z Nacionalne univerze v Singapurju; Rajiv Pramanik in dr. Shanti Prasad Rath iz Indijskega združenja za gojenje znanosti; Dr. Martin Foltin iz podjetja Hewlett Packard Enterprise, Colorado; in dr. Damien Thompson z Univerze v Limericku na Irskem.

Venkatesan je dejal, da je raziskava pokazatelj prihodnjih odkritij te sodelujoče ekipe, ki bo vključevala Center za nanoznanost in inženiring na Indijskem inštitutu za znanost ter Oddelek za mikrosisteme in nanotehnologijo pri NIST.

To multidisciplinarno in večnacionalno raziskavo je podprla Singapurska nacionalna raziskovalna fundacija v okviru konkurenčnih raziskovalnih programov; Odbor za raziskave znanosti in inženiringa, Indija; Predsednikov program Sklada odličnosti X-Grant v Texas A&M; Znanost, tehnologija in raziskave, Singapur, v okviru individualne raziskovalne podpore za napredno proizvodnjo in inženiring; Zagonski sklad na univerzi CQRT v Oklahomi; in Science Foundation, Irska.

Mojca Andreja

Nagnjena je k apatiji. Nevidni raziskovalec. Vseživljenjski guru slanine. Potovalni odvisnik. Organizator. "

Related Posts

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja

Read also x