V objave uverejnenom v časopise temperamentná povaha, Medzinárodný tím vedcov popísal nové molekulárne zariadenie s výnimočnou výpočtovou vynaliezavosťou.

Zariadenie, ktoré pripomína komunikačnú flexibilitu ľudského mozgu, je možné za letu prekonfigurovať na vykonávanie rôznych výpočtových úloh jednoducho zmenou aplikovaného napätia. Navyše, rovnako ako neuróny môžu uchovávať spomienky, samotné zariadenie môže tiež uchovávať informácie pre budúce vyhľadávanie a spracovanie.

Mozog má úžasnú schopnosť meniť drôty okolo seba vytváraním a prerušovaním spojení medzi neurónmi. Dr. R. povedal: Stanley Williams, profesor na Katedre elektrotechniky a počítačového inžinierstva na Texaskej univerzite A&M, uviedol, že dosiahnuť niečo podobné vo fyzickom systéme je veľmi ťažké. „Teraz sme vytvorili molekulárne zariadenie s potenciálom dramatickej prestavby, ktorá sa dosahuje nie zmenou fyzických spojení ako v mozgu, ale preprogramovaním jeho logiky.“

Dr. T. Venkatesan, riaditeľ Centra kvantového výskumu a technológie (CQRT) na Oklahoma University, vedecký člen Národného inštitútu pre štandardy a technológie v Gaithersburgu a odborný asistent elektrotechniky a počítačového inžinierstva na Národnej univerzite v Kalifornii Singapur dodal, že ich molekulárne zariadenia môžu v budúcnosti pomôcť navrhnúť spracovateľské čipy. Next-gen so zlepšeným výpočtovým výkonom a rýchlosťou, ale spotrebuje výrazne menej energie.

Bez ohľadu na to, či ide o známy prenosný počítač alebo špičkový superpočítač, digitálne technológie čelia spoločnému nepriateľovi, úzkemu miestu von Neumanna. Toto oneskorenie výpočtového spracovania je dôsledkom súčasných počítačových architektúr, kde je pamäť, ktorá obsahuje údaje a programy, fyzicky oddelená od procesora. Výsledkom je, že počítače trávia dlhý čas prenosom informácií medzi týmito dvoma systémami, čo spôsobuje škrtenie. Aj napriek veľmi vysokým rýchlostiam procesora môžu byť tieto jednotky počas období výmeny informácií dlhší čas nečinné.

Ako alternatívu k tradičným elektronickým častiam používaným na navrhovanie pamäťových modulov a procesorov poskytujú zariadenia nazývané memristory spôsob, ako obísť úzke miesto von Neumanna. Memristory, ako sú dioxidy nióbia a oxidu vanádnatého, sa pri určitej teplote stávajú izolátorom a vodičom. Táto vlastnosť dáva týmto typom memristorov schopnosť vykonávať výpočty a ukladať údaje.

Napriek mnohým výhodám sú tieto memristory z oxidu kovu vyrobené z prvkov vzácnych zemín a môžu pracovať iba v obmedzených teplotných režimoch. Preto pokračovalo hľadanie sľubných organických molekúl, ktoré môžu vykonávať podobnú memristívnu funkciu, povedal Williams.

Sriprata Goswami, profesor Indickej asociácie pre kultiváciu vedy, navrhol materiály použité v tejto práci. Komplex obsahuje centrálny minerál kukurica (železo) je spojený s tromi organickými molekulami fenylazopyridínu nazývanými väzby.

„Toto sa správa ako elektrónová špongia, ktorá môže reverzibilne absorbovať až šesť elektrónov, čo má za následok sedem rôznych redoxných stavov,“ povedal Sriprata. „Vzťah medzi týmito stavmi je kľúčom k rekonfigurácii popísanej v tejto práci.“

Doktor Sritush Goswami, výskumník z Národnej univerzity v Singapure, projekt navrhol vytvorením mikroobvodu pozostávajúceho zo 40 nanometrovej vrstvy molekulárneho filmu vloženého medzi vrstvu zlata na vrchu a nanodisk leštený zlatom a oxidom india a cínu. Na spodku.

Keď bolo na zariadenie aplikované záporné napätie, Sritosh videl profil súčasného napätia, aký nikto predtým nevidel. Na rozdiel od memristorov z oxidu kovu, ktoré sa môžu prepínať z kovu na izolátor iba s jedným konštantným napätím, môžu organické molekulárne zariadenia prepínať tam a späť z izolátora na vodič so samostatným sériovým napätím.

„Ak teda o zariadení uvažujete ako o vypínači, v ktorom sme zamieňali napätie zápornejšie, zariadenie najskôr prešlo zo zapnutia na vypnutie, potom vypnutie, potom vypnutie a potom znova zapnutie,“ povedal Venkatesan. : „Poviem, že sme práve vyleteli zo sedadla.“ „Museli sme sa presvedčiť, že to, čo sme videli, je skutočné.“

Sreetosh a Sreebrata skúmali molekulárne mechanizmy, ktoré sú základom podivného spínacieho správania, pomocou zobrazovacej techniky nazývanej Ramanova spektroskopia. Hľadali najmä spektrálne podpisy vo vibračnom pohybe organickej molekuly, ktoré by mohli vysvetliť viacnásobné prechody. Ich skúmanie odhalilo, že rozsiahle negatívne napätie prinútilo väzby na molekule podstúpiť sériu udalostí redukcie alebo elektrónového zisku, ktoré spôsobili prechod molekuly medzi stavom a stavom.

Potom, aby matematicky popísal vysoko komplexný profil prúdového napätia molekulárneho zariadenia, sa Williams odklonil od tradičného prístupu k základným rovniciam založeným na fyzike. Namiesto toho popíšte správanie častíc pomocou algoritmu rozhodovacieho stromu pomocou príkazov „ak-potom-inak“, spoločných riadkov kódu v mnohých počítačových programoch, najmä v digitálnych hrách.

„Videohry majú štruktúru, v ktorej máte postavu, ktorá niečo robí, a potom sa niečo stane. Výsledkom je, že ak to napíšete do počítačového algoritmu, bude to.“ tieto zariadenia a fungovalo to veľmi dobre. “

Vedci však zašli tak ďaleko, že využili tieto molekulárne zariadenia na spustenie programov pre rôzne výpočtové úlohy v reálnom svete. Sreetosh experimentálne demonštroval, že ich stroje môžu vykonávať pomerne zložité výpočty v jednom časovom kroku a potom byť preprogramované tak, aby v nasledujúcom okamihu vykonali inú úlohu.

„Bolo to veľmi neobvyklé; náš prístroj robil niečo podobné, ako robí mozog, ale úplne iným spôsobom,“ povedal Sritosh. „Keď sa naučíte niečo nové alebo sa rozhodnete, mozog môže skutočne prekonfigurovať a zmeniť fyzické drôty okolo.“ to. Rovnako tak môžeme naše zariadenia logicky preprogramovať alebo prekonfigurovať tak, že im dáme iný impulz napätia, ako videli predtým. “

Venkatesan poznamenal, že na vykonanie rovnakých výpočtových funkcií ako na jednom z ich molekulárnych zariadení s rôznymi rozhodovacími stromami by bolo potrebných tisíce tranzistorov. Preto povedal, že ich technológia môže byť najskôr použitá v mobilných zariadeniach, ako sú mobilné telefóny a senzory, a ďalších aplikáciách, kde je výkon obmedzený.

Odkaz: „Rozhodovacie stromy v molekulárnom memristore“ Autor: Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1. septembra 2021, K dispozícii tu. temperamentná povaha.
DOI: 10,1038 / s41586-021-03748-0

Ďalšími prispievateľmi do výskumu sú Dr. Abhijit Batra a Dr. Ariando z Národnej univerzity v Singapure; Rajeb Bramanik a Dr. Santi Prasad Rath z Indickej asociácie pre pestovanie vedy; DR.. Martin Folten zo spoločnosti Hewlett Packard Enterprise, Colorado; a doktor Damien Thompson z University of Limerick v Írsku.

Venkatesan uviedol, že tento výskum naznačuje budúce objavy tohto spolupracujúceho tímu, ktorý bude zahŕňať Centrum pre nanovedu a inžinierstvo pri Indickom inštitúte vedy a Katedru mikrosystémov a nanotechnológií pri Národnom inštitúte pre štandardy a technológie (NIST).

Tento interdisciplinárny a nadnárodný výskum podporila Singapurská národná výskumná nadácia v rámci svojich programov konkurencieschopného výskumu; Rada pre výskum vedy a techniky, India; Program X-Grants Prezidentského fondu excelentnosti Texas A&M; Veda, technológia a výskum, Singapur, v rámci svojich individuálnych výskumných grantov na pokročilú výrobu a inžinierstvo; štartovacie prostriedky na CQRT University of Oklahoma; and Science Foundation, Írsko.