Напоминает пластичность соединений в человеческом мозгу, устройство можно на лету перенастроить для решения различных вычислительных задач, просто изменив приложенное напряжение. Кроме того, подобно тому, как нервные клетки могут хранить воспоминания, одно и то же устройство также может сохранять информацию для будущего поиска и обработки.
"Мозг обладает замечательной способностью изменять свою проводку, создавая и разрывая связи между нервными клетками.
Достижение чего-то сопоставимого в физической системе было чрезвычайно сложной задачей ", – сказал д-р. р. Стэнли Уильямс, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Техасского университета A&M. «Мы создали молекулярное устройство с потрясающей реконфигурируемостью, которое достигается не за счет изменения физических связей, как в мозгу, а за счет перепрограммирования его логики."
Доктор. Т. Венкатесан, директор Центра квантовых исследований и технологий (CQRT) Университета Оклахомы, научный филиал Национального института стандартов и технологий в Гейтерсбурге и адъюнкт-профессор электротехники и компьютерной инженерии в Национальном университете Сингапура, добавил, что их Молекулярное устройство может в будущем помочь в разработке процессорных чипов следующего поколения с повышенной вычислительной мощностью и скоростью, но при этом потребляющим значительно меньше энергии.
Будь то знакомый ноутбук или сложный суперкомпьютер, цифровые технологии сталкиваются с общим врагом – узким местом фон Неймана. Эта задержка вычислительной обработки является следствием современных компьютерных архитектур, в которых память, содержащая данные и программы, физически отделена от процессора.
В результате компьютеры тратят значительное количество времени на обмен информацией между двумя системами, вызывая узкое место. Кроме того, несмотря на чрезвычайно высокую скорость процессора, эти устройства могут простаивать в течение длительного времени в периоды обмена информацией.
В качестве альтернативы обычным электронным компонентам, используемым для разработки модулей памяти и процессоров, устройства, называемые мемристорами, предлагают способ обойти узкое место фон Неймана.
Мемристоры, например, из диоксида ниобия и диоксида ванадия, превращаются из изолятора в проводник при заданной температуре. Это свойство дает этим типам мемристоров возможность выполнять вычисления и хранить данные.
Однако, несмотря на свои многочисленные преимущества, эти металлооксидные мемристоры изготовлены из редкоземельных элементов и могут работать только в ограниченных температурных режимах. Следовательно, продолжаются поиски многообещающих органических молекул, которые могут выполнять сопоставимую мемристивную функцию, сказал Уильямс.
Доктор. Шриобрата Госвами, профессор Индийской ассоциации развития науки, разработал материал, используемый в этой работе. Соединение имеет центральный атом металла (железа), связанный с тремя органическими молекулами фенилазопиридина, называемыми лигандами.
«Он ведет себя как электронная губка, которая может обратимо поглощать до шести электронов, что приводит к семи различным окислительно-восстановительным состояниям», – сказал Шрибрата. "Взаимосвязь между этими состояниями является ключом к реконфигурируемости, показанной в этой работе."
Доктор. Сритош Госвами, исследователь из Национального университета Сингапура, разработал этот проект, создав крошечную электрическую цепь, состоящую из 40-нанометрового слоя молекулярной пленки, зажатой между слоем золота наверху и наплавленным золотом нанодиском и оксидом индия-олова в верхней части. Нижний.
При подаче отрицательного напряжения на устройство Сритош увидел профиль тока и напряжения, который не был похож на то, что кто-либо видел раньше. В отличие от металлооксидных мемристоров, которые могут переключаться с металла на изолятор только при одном фиксированном напряжении, органические молекулярные устройства могут переключаться назад и вперед с изолятора на проводник при нескольких дискретных последовательных напряжениях.
"Итак, если вы думаете об устройстве как о двухпозиционном переключателе, поскольку мы снижали напряжение до более отрицательного значения, устройство сначала переключается с включения на выключение, затем с выключения на включение, затем с включения на выключение, а затем снова на включение. Я скажу, что нас просто снесло с места », – сказал Венкатесан. "Мы должны были убедить себя, что то, что мы видели, было настоящим."
Сритош и Срибрата исследовали молекулярные механизмы, лежащие в основе любопытного поведения переключения, используя метод визуализации, называемый рамановской спектроскопией. В частности, они искали спектральные признаки колебательного движения органической молекулы, которые могли бы объяснить множественные переходы.
Их исследование показало, что изменение отрицательного напряжения заставляет лиганды на молекуле претерпевать серию восстановительных или электронно-зависимых событий, которые заставляют молекулу переходить между выключенным и включенным состояниями.
Затем, чтобы математически описать чрезвычайно сложный профиль тока-напряжения молекулярного устройства, Уильямс отклонился от традиционного подхода, основанного на основных физических уравнениях. Вместо этого он описал поведение молекул, используя алгоритм дерева решений с утверждениями «если-то-иначе», обычную строку кода в нескольких компьютерных программах, особенно в цифровых играх.
"В видеоиграх есть структура, в которой есть персонаж, который что-то делает, а затем что-то происходит в результате. Итак, если вы запишете это в компьютерный алгоритм, это будут утверждения if-then-else », – сказал Уильямс. «Здесь молекула переключается с включения на выключение в результате приложенного напряжения, и именно тогда у меня был момент эврики, чтобы использовать деревья решений для описания этих устройств, и это сработало очень хорошо."
Но исследователи пошли еще дальше, чтобы использовать эти молекулярные устройства для запуска программ для различных реальных вычислительных задач.
Сритош экспериментально показал, что их устройства могут выполнять довольно сложные вычисления за один временной шаг, а затем перепрограммироваться для выполнения другой задачи в следующий момент.
«Это было совершенно необычно; наше устройство делало что-то вроде того, что делает мозг, но совсем другим способом», – сказал Сритош. "Когда вы изучаете что-то новое или когда принимаете решение, мозг может действительно перенастроить и изменить физическую проводку вокруг. Точно так же мы можем логически перепрограммировать или перенастроить наши устройства, подав им другой импульс напряжения, чем они видели раньше."
Венкатесан отметил, что потребуются тысячи транзисторов для выполнения тех же вычислительных функций, что и одно из их молекулярных устройств с различными деревьями решений. Следовательно, он сказал, что их технология может сначала использоваться в портативных устройствах, таких как сотовые телефоны и датчики, а также в других приложениях, где мощность ограничена.
Среди других участников исследования д-р. Абхиджит Патра и доктор. Ариандо из Национального университета Сингапура; Доктор.
Раджиб Праманик и доктор. Санти Прасад Ратх из Индийской ассоциации развития науки; Доктор. Мартин Фолтин из Hewlett Packard Enterprise, Колорадо; и доктор. Дэмиен Томпсон из Университета Лимерика, Ирландия.
Венкатесан сказал, что это исследование указывает на будущие открытия этой совместной группы, которая будет включать центр нанонауки и инженерии в Индийском институте науки и Отдел микросистем и нанотехнологий в NIST.
Это междисциплинарное и многонациональное исследование было поддержано Сингапурским национальным исследовательским фондом в рамках программ конкурентных исследований; Совет по научным и инженерным исследованиям, Индия; Программа X-Grants Фонда повышения квалификации президента в Техасе A&M; Наука, технологии и исследования, Сингапур, в рамках гранта на индивидуальные исследования в области передового производства и инженерии; стартовые фонды в Университете Оклахомы CQRT; и Научный фонд Ирландии.