In een ontdekking gepubliceerd in het tijdschrift temper de natuur, Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw moleculair apparaat beschreven met uitzonderlijke rekenkracht.
Het apparaat doet denken aan de communicatieflexibiliteit van het menselijk brein en kan tijdens de vlucht opnieuw worden geconfigureerd om verschillende rekentaken uit te voeren door simpelweg de aangelegde spanningen te veranderen. Bovendien, net zoals neuronen herinneringen kunnen opslaan, kan het apparaat zelf ook informatie bevatten voor toekomstig ophalen en verwerken.
De hersenen hebben een verbazingwekkend vermogen om de draden eromheen te veranderen door verbindingen tussen neuronen te maken en te verbreken. Dr. R. zei: Stanley Williams, een professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Texas A&M University, zei dat het erg moeilijk was om iets soortgelijks in een fysiek systeem te bereiken. “We hebben nu een moleculair apparaat gemaakt dat het potentieel heeft voor dramatische hermodellering, wat niet wordt bereikt door fysieke verbindingen te veranderen zoals in de hersenen, maar door de logica ervan te herprogrammeren.”
Dr. T. Venkatesan, directeur van het Center for Quantum Research and Technology (CQRT) aan de Universiteit van Oklahoma, wetenschappelijk lid van het National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, en assistent-professor elektrische en computertechniek aan de National University of Singapore, voegde toe dat hun moleculaire apparaten in de toekomst kunnen helpen bij het ontwerpen van verwerkingschips.Next-gen met verbeterde rekenkracht en snelheid, maar verbruikt aanzienlijk minder stroom.
Of het nu een bekende laptop is of een high-end supercomputer, digitale technologieën hebben te maken met een gemeenschappelijke vijand, de von Neumann-bottleneck. Deze vertraging in de computerverwerking is een gevolg van de huidige computerarchitecturen, waarbij het geheugen, dat gegevens en programma’s bevat, fysiek is gescheiden van de processor. Als gevolg hiervan zijn computers lange tijd bezig met het verzenden van informatie tussen de twee systemen, wat tot beperking leidt. Ondanks de zeer hoge processorsnelheden, kunnen deze eenheden ook gedurende lange tijd inactief zijn tijdens informatie-uitwisselingsperioden.
Als alternatief voor de traditionele elektronische onderdelen die worden gebruikt om geheugenmodules en processors te ontwerpen, bieden apparaten die memristors worden genoemd een manier om de von Neumann-bottleneck te omzeilen. Memristors, zoals die gemaakt van niobiumdioxide en vanadiumdioxide, gaan van een isolator naar een geleider bij een bepaalde temperatuur. Deze eigenschap geeft dit type memristors de mogelijkheid om berekeningen uit te voeren en gegevens op te slaan.
Ondanks hun vele voordelen zijn deze memristors van metaaloxide gemaakt van zeldzame aardelementen en kunnen ze alleen werken bij beperkte temperatuurregimes. Daarom is er een voortdurende zoektocht geweest naar veelbelovende organische moleculen die een vergelijkbare memristieve functie kunnen uitoefenen, zei Williams.
Dr. Sriprata Goswami, professor aan de Indian Association for Cultivation of Science, ontwierp de materialen die in dit werk werden gebruikt. Het complex bevat een centraal mineraal maïs (IJzer) is gekoppeld aan drie organische fenyl-azopyridine-moleculen die bindingen worden genoemd.
“Dit gedraagt zich als een elektronische spons die tot zes elektronen omkeerbaar kan absorberen, wat resulteert in zeven verschillende redoxtoestanden,” zei Sriprata. “De onderlinge relatie van deze staten is de sleutel achter de herconfiguratie die in dit werk wordt beschreven.”
Dr. Sritush Goswami, een onderzoeker aan de National University of Singapore, bedacht het project door een microschakeling te creëren die bestaat uit een 40 nanometer laag moleculaire film ingeklemd tussen een laag goud bovenop en een nanoschijf gepolijst met goud en indiumtinoxide. Aan de onderkant.
Toen een negatieve spanning op het apparaat werd toegepast, zag Sritosh een stroomspanningsprofiel zoals niemand eerder had gezien. In tegenstelling tot metaaloxide-memristors die met slechts één constante spanning van metaal naar isolator kunnen schakelen, kunnen organische moleculaire apparaten bij afzonderlijke seriespanning heen en weer schakelen van isolator naar geleider.
“Dus als je het apparaat beschouwt als een aan-uitschakelaar, waarbij we de spanning negatiever maakten, ging het apparaat aanvankelijk van aan naar uit, dan uit naar aan, dan aan naar uit en weer aan,” zei Venkatesan . .: “Ik zal zeggen dat we gewoon uit onze stoel bliezen.” “We moesten onszelf ervan overtuigen dat wat we zagen echt was.”
Sreetosh en Sreebrata hebben de moleculaire mechanismen onderzocht die ten grondslag liggen aan het vreemde schakelgedrag met behulp van een beeldvormende techniek genaamd Raman-spectroscopie. In het bijzonder zochten ze naar spectrale handtekeningen in de vibrationele beweging van een organisch molecuul die de meerdere overgangen zouden kunnen verklaren. Hun onderzoek onthulde dat vegende negatieve spanningen de bindingen op het molecuul dwongen een reeks reductie- of elektronenversterkingsgebeurtenissen te ondergaan die ervoor zorgden dat het molecuul overging tussen de out-of-state en de staat.
Om vervolgens het zeer complexe stroom-spanningsprofiel van een moleculair apparaat wiskundig te beschrijven, vertrok Williams van de traditionele benadering van op fundamentele fysica gebaseerde vergelijkingen. Beschrijf in plaats daarvan het gedrag van deeltjes met behulp van een beslissingsboomalgoritme met “als-dan-anders”-instructies, een veel voorkomende coderegel in veel computerprogramma’s, vooral digitale games.
“Videogames hebben een structuur waarin je een personage hebt dat iets doet, en als resultaat gebeurt er iets. En dus, als je dat in een computeralgoritme schrijft, is het een als. “Ik had een eureka-moment met behulp van beslisbomen om te beschrijven deze apparaten, en het werkte heel goed.”
Maar onderzoekers zijn zo ver gegaan dat ze deze moleculaire apparaten hebben gebruikt om programma’s uit te voeren voor verschillende rekentaken in de echte wereld. Sreetosh heeft experimenteel aangetoond dat hun machines redelijk complexe berekeningen in één tijdstap kunnen uitvoeren en vervolgens opnieuw kunnen worden geprogrammeerd om in het volgende moment een andere taak uit te voeren.
“Het was heel ongebruikelijk; ons apparaat deed ongeveer hetzelfde als wat de hersenen doen, maar op een heel andere manier”, zei Sritosh. “Als je iets nieuws leert of wanneer je een besluit neemt, kunnen de hersenen de fysieke draden rond het. Evenzo kunnen we onze apparaten logisch herprogrammeren of opnieuw configureren door ze een andere spanningspuls te geven dan ze eerder hebben gezien.”
Venkatesan merkte op dat er duizenden transistors nodig zouden zijn om dezelfde rekenfuncties uit te voeren als een van hun moleculaire apparaten met verschillende beslissingsbomen. Daarom zei hij dat hun technologie eerst kan worden gebruikt in mobiele apparaten, zoals mobiele telefoons en sensoren, en andere toepassingen waar het vermogen beperkt is.
Referentie: “Beslisbomen binnen een moleculaire memristor” door Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1 september 2021, Beschikbaar Hier. de natuur temperen.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0
Andere bijdragen aan het onderzoek zijn Dr. Abhijit Batra en Dr. Ariando van de National University of Singapore; Rajeb Bramanik en dr. Santi Prasad Rath van de Indiase Vereniging voor Wetenschappelijk Cultuur; dr.. Martin Folten van Hewlett Packard Enterprise, Colorado; en Dr. Damien Thompson van de Universiteit van Limerick in Ierland.
Venkatesan zei dat dit onderzoek indicatief is voor toekomstige ontdekkingen van dit samenwerkingsteam, waaronder het Center for Nanoscience and Engineering van het Indian Institute of Science en het Department of Microsystems and Nanotechnology van het National Institute of Standards and Technology (NIST).
Dit interdisciplinaire en multinationale onderzoek werd ondersteund door de Singapore National Research Foundation in het kader van haar Competitive Research Programs; Onderzoeksraad voor Wetenschap en Techniek, India; Texas A&M Presidential Fund of Excellence X-Grants-programma; Science, Technology and Research, Singapore, in het kader van de individuele onderzoeksbeurzen voor geavanceerde productie en engineering; startfondsen aan de CQRT University of Oklahoma; and Science Foundation, Ierland.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
