Σε μια ανακάλυψη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ψυχραιμία φύση, Μια διεθνής ομάδα ερευνητών περιέγραψε μια νέα μοριακή συσκευή με εξαιρετική υπολογιστική εφευρετικότητα.
Θυμίζοντας την ευελιξία επικοινωνίας του ανθρώπινου εγκεφάλου, η συσκευή μπορεί να αναδιαμορφωθεί κατά την πτήση για να εκτελεί διάφορες υπολογιστικές εργασίες απλά αλλάζοντας τις εφαρμοζόμενες τάσεις. Επιπλέον, όπως οι νευρώνες μπορούν να αποθηκεύσουν μνήμες, η ίδια η συσκευή μπορεί επίσης να κρατήσει πληροφορίες για μελλοντική ανάκτηση και επεξεργασία.
Ο εγκέφαλος έχει μια εκπληκτική ικανότητα να αλλάζει τα καλώδια γύρω του δημιουργώντας και κόβοντας συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων. Είπε ο Δρ R. Ο Stanley Williams, καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Texas A&M, είπε ότι η επίτευξη κάτι παρόμοιου σε ένα φυσικό σύστημα ήταν πολύ δύσκολη. “Δημιουργήσαμε τώρα μια μοριακή συσκευή με δυνατότητα δραματικής αναδιαμόρφωσης, η οποία επιτυγχάνεται όχι με την αλλαγή των φυσικών συνδέσεων όπως στον εγκέφαλο, αλλά με τον επαναπρογραμματισμό της λογικής του”.
Δρ. T. Venkatesan, διευθυντής του Κέντρου Κβαντικής Έρευνας και Τεχνολογίας (CQRT) στο Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα, επιστημονικό μέλος του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας, Gaithersburg, και επίκουρος καθηγητής ηλεκτρικής και μηχανικής υπολογιστών στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Η Σιγκαπούρη, πρόσθεσε ότι οι μοριακές συσκευές τους μπορούν στο μέλλον να βοηθήσουν στο σχεδιασμό τσιπ επεξεργασίας. Next-gen με βελτιωμένη υπολογιστική ισχύ και ταχύτητα, αλλά καταναλώνει σημαντικά λιγότερη ενέργεια.
Είτε πρόκειται για οικείο φορητό υπολογιστή είτε για υπερυπολογιστή υψηλών προδιαγραφών, οι ψηφιακές τεχνολογίες αντιμετωπίζουν έναν κοινό εχθρό, το συμφόριο του von Neumann. Αυτή η καθυστέρηση στην υπολογιστική επεξεργασία είναι συνέπεια των σημερινών αρχιτεκτονικών υπολογιστών, όπου η μνήμη, η οποία περιέχει δεδομένα και προγράμματα, διαχωρίζεται φυσικά από τον επεξεργαστή. Ως αποτέλεσμα, οι υπολογιστές περνούν πολύ χρόνο στη μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των δύο συστημάτων, γεγονός που προκαλεί πτώση. Επίσης, παρά τις πολύ υψηλές ταχύτητες επεξεργαστή, αυτές οι μονάδες μπορούν να είναι αδρανείς για μεγάλα χρονικά διαστήματα κατά τη διάρκεια περιόδων ανταλλαγής πληροφοριών.
Ως εναλλακτική λύση στα παραδοσιακά ηλεκτρονικά μέρη που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό μονάδων μνήμης και επεξεργαστών, οι συσκευές που ονομάζονται memristors παρέχουν έναν τρόπο για να παρακάμψουν το συμφόριο του von Neumann. Τα μνήματα, όπως αυτά που είναι κατασκευασμένα από διοξείδιο του νιοβίου και διοξείδιο του βαναδίου, μετατρέπονται από μονωτικά σε αγωγούς σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αυτή η ιδιότητα δίνει σε αυτούς τους τύπους memristors τη δυνατότητα να εκτελούν υπολογισμούς και να αποθηκεύουν δεδομένα.
Ωστόσο, παρά τα πολλά πλεονεκτήματά τους, αυτά τα μνήματα οξειδίων μετάλλου είναι κατασκευασμένα από στοιχεία σπάνιας γης και μπορούν να λειτουργήσουν μόνο σε καθεστώτα περιορισμένης θερμοκρασίας. Ως εκ τούτου, υπήρξε μια συνεχής αναζήτηση για πολλά υποσχόμενα οργανικά μόρια που μπορούν να εκτελέσουν μια παρόμοια λειτουργία απομνημόνευσης, είπε ο Williams.
Ο Δρ. Sriprata Goswami, Καθηγητής στην Ινδική Ένωση για την Καλλιέργεια της Επιστήμης, σχεδίασε τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν την εργασία. Το συγκρότημα περιέχει ένα κεντρικό ορυκτό καλαμπόκι (σίδηρος) συνδέεται με τρία οργανικά μόρια φαινυλικής αζοπυριδίνης που ονομάζονται δεσμοί.
“Αυτό συμπεριφέρεται σαν ένα ηλεκτρονικό σφουγγάρι που μπορεί να απορροφήσει αντιστρεπτά έως και έξι ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα επτά διαφορετικές οξειδοαναγωγικές καταστάσεις”, δήλωσε ο Sriprata. “Η αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των καταστάσεων είναι το κλειδί πίσω από την αναδιαμόρφωση που περιγράφεται σε αυτό το έργο.”
Ο δρ. Sritush Goswami, ερευνητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, επινόησε το έργο δημιουργώντας ένα μικροκυκλώματος που αποτελείται από ένα στρώμα μοριακής μεμβράνης 40 νανομέτρων, στριμωγμένο μεταξύ ενός στρώματος χρυσού στην κορυφή και ενός νανο-δίσκου γυαλισμένου με χρυσό και οξείδιο κασσίτερου ινδίου. Στον πάτο.
Όταν εφαρμόστηκε αρνητική τάση στη συσκευή, ο Sritosh είδε ένα προφίλ τάσης ρεύματος που δεν είχε δει κανείς πριν. Σε αντίθεση με τις μνήμες οξειδίων μετάλλου που μπορούν να μεταβούν από μέταλλο σε μονωτή με μόνο μία σταθερή τάση, οι οργανικές μοριακές συσκευές μπορούν να μεταβούν από μονωτή σε αγωγό σε ξεχωριστή τάση σειράς.
“Έτσι, αν σκεφτείτε τη συσκευή ως διακόπτη on-off, όπου σκουπίζαμε την τάση πιο αρνητικά, η συσκευή αρχικά μεταπήδησε από σβηστή, μετά απενεργοποιημένη, έπειτα απενεργοποιημένη και ξανά ενεργοποιημένη”, είπε ο Βενκατεσάν .: «Θα πω ότι μόλις φύγαμε από τη θέση μας.» «Έπρεπε να πείσουμε τον εαυτό μας ότι αυτό που βλέπαμε ήταν αληθινό».
Οι Sreetosh και Sreebrata έχουν διερευνήσει τους μοριακούς μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από την περίεργη συμπεριφορά μεταγωγής χρησιμοποιώντας μια τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται φασματοσκοπία Raman. Συγκεκριμένα, αναζήτησαν φασματικές υπογραφές στη δονητική κίνηση ενός οργανικού μορίου που θα μπορούσε να εξηγήσει τις πολλαπλές μεταβάσεις. Οι έρευνές τους αποκάλυψαν ότι οι σαρωτικές αρνητικές τάσεις ανάγκασαν τους δεσμούς στο μόριο να υποστούν μια σειρά γεγονότων μείωσης ή κέρδους ηλεκτρονίων που οδήγησαν το μόριο στη μετάβαση μεταξύ της εκτός της κατάστασης και της κατάστασης.
Στη συνέχεια, για να περιγράψει μαθηματικά το εξαιρετικά πολύπλοκο προφίλ τάσης ρεύματος μιας μοριακής συσκευής, ο Ουίλιαμς απομακρύνθηκε από την παραδοσιακή προσέγγιση των θεμελιωδών εξισώσεων που βασίζονται στη φυσική. Αντ ‘αυτού, περιγράψτε τη συμπεριφορά των σωματιδίων χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο δέντρου αποφάσεων με δηλώσεις “αν-τότε-άλλο”, μια κοινή γραμμή κώδικα σε πολλά προγράμματα υπολογιστών, ειδικά ψηφιακά παιχνίδια.
“Τα βιντεοπαιχνίδια έχουν μια δομή όπου έχετε έναν χαρακτήρα που κάνει κάτι και στη συνέχεια κάτι συμβαίνει ως αποτέλεσμα. Και έτσι, αν το γράψετε σε έναν αλγόριθμο υπολογιστών, είναι ένα αν.” Είχα μια στιγμή eureka χρησιμοποιώντας δέντρα αποφάσεων για να περιγράψω αυτές τις συσκευές και λειτούργησε πολύ καλά ».
Αλλά οι ερευνητές έφτασαν στο σημείο να εκμεταλλευτούν αυτές τις μοριακές συσκευές για να εκτελέσουν προγράμματα για διάφορες υπολογιστικές εργασίες του πραγματικού κόσμου. Ο Sreetosh απέδειξε πειραματικά ότι τα μηχανήματά τους μπορούν να εκτελέσουν αρκετά περίπλοκους υπολογισμούς σε ένα βήμα και στη συνέχεια να επαναπρογραμματιστούν για να εκτελέσουν μια άλλη εργασία την επόμενη στιγμή.
«Wasταν πολύ ασυνήθιστο · η συσκευή μας έκανε κάτι παρόμοιο με αυτό που κάνει ο εγκέφαλος, αλλά με εντελώς διαφορετικό τρόπο», είπε ο Sritosh. «Όταν μαθαίνετε κάτι νέο ή όταν αποφασίζετε, ο εγκέφαλος μπορεί πραγματικά να διαμορφώσει και να αλλάξει τα φυσικά καλώδια γύρω το. Ομοίως, μπορούμε λογικά να επαναπρογραμματίσουμε ή να διαμορφώσουμε ξανά τις συσκευές μας δίνοντάς τους διαφορετικό παλμό τάσης από αυτόν που έχουμε δει στο παρελθόν ».
Ο Venkatesan σημείωσε ότι θα χρειαστούν χιλιάδες τρανζίστορ για να εκτελέσουν τις ίδιες υπολογιστικές λειτουργίες με μία από τις μοριακές συσκευές τους με διαφορετικά δέντρα αποφάσεων. Ως εκ τούτου, είπε ότι η τεχνολογία τους μπορεί πρώτα να χρησιμοποιηθεί σε κινητές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα και αισθητήρες, και άλλες εφαρμογές όπου η ισχύς είναι περιορισμένη.
Αναφορά: «Δέντρα αποφάσεων μέσα σε ένα μοριακό μνήμα» των Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1 Σεπτεμβρίου 2021, Διαθέσιμο εδώ. ψυχραιμία φύσηΤο
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0
Άλλοι συνεισφέροντες στην έρευνα περιλαμβάνουν τους Δρ Abhijit Batra και Δρ Ariando από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης. Ο Rajeeb Bramanik και ο Dr. Santi Prasad Rath of Indian Association for Cultivation of Science. Δρ .. Martin Folten της Hewlett Packard Enterprise, Κολοράντο. και ο Δρ Damien Thompson από το Πανεπιστήμιο του Limerick στην Ιρλανδία.
Ο Venkatesan είπε ότι αυτή η έρευνα είναι ενδεικτική των μελλοντικών ανακαλύψεων αυτής της συνεργατικής ομάδας, η οποία θα περιλαμβάνει το Κέντρο Νανοεπιστήμης και Μηχανικής στο Ινδικό Ινστιτούτο Επιστήμης και το Τμήμα Μικροσυστημάτων και Νανοτεχνολογίας στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST).
Αυτή η διεπιστημονική και πολυεθνική έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Foundationδρυμα Ερευνών της Σιγκαπούρης στο πλαίσιο των Ανταγωνιστικών Ερευνητικών Προγραμμάτων. Συμβούλιο Έρευνας Επιστήμης και Μηχανικής, Ινδία; Πρόγραμμα X-Grants του Texas A&M Presidential Fund of Excellence; Επιστήμη, Τεχνολογία και Έρευνα, Σιγκαπούρη, στο πλαίσιο των Ατομικών Υποτροφιών Έρευνας για Προχωρημένη Βιομηχανία και Μηχανική. ταμεία εκκίνησης στο Πανεπιστήμιο CQRT της Οκλαχόμα. και Science Foundation, Ιρλανδία.