Новото молекулно изчислително устройство има безпрецедентен потенциал за преконфигурация, напомнящ цвета на мозъка

В откритие, публикувано в списанието нравствена природа, Международен екип от изследователи е описал ново молекулно устройство с изключителна изчислителна изобретателност.

Напомняйки за комуникационната гъвкавост на човешкия мозък, устройството може да бъде конфигурирано по време на полет за изпълнение на различни изчислителни задачи, просто чрез промяна на приложените напрежения. Освен това, точно както невроните могат да съхраняват спомени, самото устройство може също да съхранява информация за бъдещо извличане и обработка.

Мозъкът има невероятна способност да променя проводниците около себе си, като създава и прекъсва връзки между невроните. – каза д -р Р. Стенли Уилямс, професор в катедрата по електротехника и компютърно инженерство в Тексаския университет A&M, каза, че постигането на нещо подобно във физическата система е много трудно. „Сега създадохме молекулно устройство с потенциал за драматично ремоделиране, което се постига не чрез промяна на физическите връзки, както в мозъка, а чрез препрограмиране на неговата логика.“

Д -р Т. Венкатесан, директор на Центъра за квантови изследвания и технологии (CQRT) към Университета в Оклахома, научен член на Националния институт по стандарти и технологии, Гайтерсбург, и асистент по електротехника и компютърно инженерство в Националния университет на Сингапур добави, че техните молекулни устройства в бъдеще могат да помогнат при проектирането на процесори за обработка.Следващо поколение с подобрена изчислителна мощност и скорост, но консумира значително по-малко енергия.

Независимо дали става въпрос за познат лаптоп или суперкомпютър от висок клас, цифровите технологии се сблъскват с общ враг-тясното място на фон Нойман. Това забавяне в изчислителната обработка е следствие от настоящите компютърни архитектури, където паметта, която съдържа данни и програми, е физически отделена от процесора. В резултат на това компютрите прекарват дълго време в предаване на информация между двете системи, което причинява дроселиране. Също така, въпреки много високите скорости на процесора, тези устройства могат да бъдат бездействани за дълги периоди от време по време на периоди на обмен на информация.

Като алтернатива на традиционните електронни части, използвани за проектиране на модули памет и процесори, устройствата, наречени мемристори, осигуряват начин за заобикаляне на тесните места на фон Нойман. Мемристорите, като тези от ниобиев диоксид и ванадиев диоксид, преминават от изолатор в проводник при определена температура. Това свойство дава на тези видове мемристори възможност да извършват изчисления и да съхраняват данни.

Въпреки многото си предимства, тези мемристори от метален оксид са изработени от редкоземни елементи и могат да работят само в ограничени температурни режими. Следователно продължава търсенето на обещаващи органични молекули, които могат да изпълняват подобна памет, каза Уилямс.

Д -р Шрипрата Госвами, професор в Индийската асоциация за култивиране на науката, проектира материалите, използвани в тази работа. Комплексът съдържа централен минерал царевица (желязо) е свързан с три органични молекули на фенил азопиридин, наречени връзки.

„Това се държи като електронна гъба, която може обратимо да абсорбира до шест електрона, което води до седем различни редокс състояния“, каза Шрипрата. „Взаимовръзката между тези състояния е ключът към преконфигурацията, описана в тази работа.“

Д-р Сритуш Госвами, изследовател от Националния университет на Сингапур, измисля проекта, като създава микросхема, състояща се от 40-нанометров слой молекулен филм, притиснат между слой злато отгоре и нанодиск, полиран със злато и индиев калаен оксид. На дъното.

Когато към устройството беше приложено отрицателно напрежение, Сритош видя профил на текущо напрежение, какъвто никой досега не беше виждал. За разлика от мета-оксидните мемристори, които могат да превключват от метал към изолатор само с едно постоянно напрежение, органичните молекулни устройства могат да превключват напред и назад от изолатор към проводник при отделно последователно напрежение.

„Така че, ако мислите за устройството като превключвател за включване и изключване, при който напрежението беше по-отрицателно, устройството първоначално се включваше от изключване, след това се включваше, след това се включваше и изключваше и отново се включваше“, каза Венкатесан .: „Ще кажа, че току -що се взривихме.“ „Трябваше да се убедим, че това, което виждаме, е истинско.“

Sreetosh и Sreebrata са изследвали молекулярните механизми, лежащи в основата на странното превключване, използвайки техника за изобразяване, наречена Раманова спектроскопия. По -специално, те търсят спектрални сигнатури във вибрационното движение на органична молекула, които биха могли да обяснят множествените преходи. Техните разследвания разкриха, че измитащите отрицателни напрежения принуждават връзките на молекулата да претърпят серия от събития за намаляване или получаване на електрони, които са причинили прехода на молекулата между състоянието извън състоянието и състоянието.

След това, за да опише математически силно сложния профил на токово напрежение на молекулно устройство, Уилямс се отклони от традиционния подход към фундаменталните физически уравнения. Вместо това опишете поведението на частиците, като използвате алгоритъм на дърво на решенията с изрази „ако-след-друго“, общ ред код в много компютърни програми, особено в цифровите игри.

„Видеоигрите имат структура, в която имате герой, който прави нещо и след това се случва нещо. И така, ако го запишете в компютърен алгоритъм, това е ако.“ тези устройства и тя работи много добре. „

Но изследователите са стигнали дотам, че са използвали тези молекулярни устройства, за да изпълняват програми за различни изчислителни задачи в реалния свят. Sreetosh демонстрира експериментално, че техните машини могат да извършват доста сложни изчисления в една времева стъпка и след това да бъдат препрограмирани, за да изпълнят друга задача в следващия момент.

„Беше много необичайно; нашият апарат правеше нещо подобно на това, което прави мозъкът, но по съвсем различен начин“, каза Сритош. „Когато научите нещо ново или когато решите, мозъкът всъщност може да преконфигурира и промени физическите проводници около то. По същия начин можем логично да препрограмираме или преконфигурираме нашите устройства, като им дадем различен импулс на напрежение, отколкото сме виждали преди. „

Венкатесан отбеляза, че ще са необходими хиляди транзистори, за да изпълняват същите изчислителни функции като едно от техните молекулни устройства с различни дървета на решения. Следователно той каза, че тяхната технология може първо да се използва в мобилни устройства, като мобилни телефони и сензори, и други приложения, където мощността е ограничена.

Справка: „Дървета на решения в рамките на молекулен мемристор“ От Сритош Госвами, Раджиб Праманик, Абхиет Патра, Санти Прасад Рат, Мартин Фолтин, А. Ариандо, Деймиън Томпсън, Т. Венкатесан, Срибрата Госвами, Р. Стенли Уилямс, 1 септември 2021 г., Предлага се тук. нравствена природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0

Други сътрудници на изследването са д -р Абхиджит Батра и д -р Ариандо от Националния университет на Сингапур; Раджиб Браманик и д -р Санти Прасад Рат от Индийската асоциация за култивиране на науката; Д -р .. Мартин Фолтен от Hewlett Packard Enterprise, Колорадо; и д -р Деймиън Томпсън от университета в Лимерик, Ирландия.

Венкатесан каза, че това изследване е показателно за бъдещи открития от този съвместен екип, който ще включва Центъра за нанонаука и инженерство към Индийския научен институт и Департамента по микросистеми и нанотехнологии в Националния институт по стандарти и технологии (NIST).

Това интердисциплинарно и мултинационално изследване е подкрепено от Сингапурската национална изследователска фондация в рамките на своите програми за конкурентни изследвания; Съвет за научни и инженерни изследвания, Индия; Тексас A&M Президентски фонд за отлични постижения X-Grants програма; Наука, технологии и изследвания, Сингапур, в рамките на индивидуалните си грантове за научни изследвания за напреднали производства и инженеринг; стартиращи средства в университета CQRT в Оклахома; и Science Foundation, Ирландия.