Нова процесорна технология работи подобно на човешкия мозък
(снимка: CC0 Public Domain)
Международен екип от учени създаде и тества изчислително устройство на базата на молекулярни мемристори, което подобно на човешкия мозък е в състояние незабавно да преконфигурира вътрешните връзки чрез препрограмиране на логиката. Технологията се оказа много бърза и енергийно-ефективна.
В разработката на процесора участват учени от Сингапур, Ирландия, САЩ и Индия. Те са успели да преконфигурират „в движение” архитектурата на процесора чрез промяна на приложеното напрежение с цел решаване на различни изчислителни задачи. В статия за разработката, публикувана в последния брой на сп. Nature, учените казват, че по аналогия с нервните клетки на човешкия мозък процесорите с молекулярни мемристори могат да извършват изчисления и да съхраняват информация за бъдещи изчисления.
По подобие на мозъка
За разлика от популярните днес невроморфни процесори с архитектура с „шипова” невронна мрежа (SNN), където връзките между „изкуствените неврони” са постоянни, молекулярният мемристорен процесор има възможност да променя програмно своята хардуерна архитектура.
„Мозъкът има забележителна способност да създава и прекъсва връзки между нервните клетки”, казва д-р Р. Стенли Уилямс, професор в катедрата по електротехника и компютърно инженерство в Тексаския университет A&M. „Постигането на нещо физически сравнимо беше изключително трудна задача. Създадохме силно преконфигурируемо молекулно устройство, което се постига не чрез промяна на физическите връзки, както в мозъка, а чрез препрограмиране на неговата логика”.
Според изследователите, новата технология, базирана на молекулярни мемристори, е в състояние да извършва изчисления с висока скорост и енергийна ефективност, което я прави обещаваща за използване в периферни изчислителни устройства и преносима електроника с ограничен ресурс на мощност.
Молекулярни мемристори
Мемристорите са електронни компоненти, които могат да се трансформират от изолатор в проводник при определена температура и след това да запазят това състояние, което им позволява да извършват изчисления и да съхраняват данни. Въпреки многобройните предимства, традиционните мемристори от метален оксид, като тези, направени от ниобиев диоксид и ванадиев диоксид, съдържат твърде много скъпи редкоземни елементи и работят само в ограничен температурен диапазон.
Сега учените са успели да създадат химическо съединение с централен атом на метал (желязо), който е свързан с три органични молекули (лиганди) на фенилазопиридин. По време на експериментите се оказва, че полученият материал е способен „като електронна гъба” обратимо да абсорбира до шест електрона. С други думи, такъв материал има седем различни редокс състояния, които осигуряват преконфигурируемост на молекулярните мемристори.
Въз основа на този материал изследователите създават миниатюрна електрическа верига от 40-нанометров слой молекулен филм, разположен между слой злато отгоре и нанодиск, напръскан със злато, индиев оксид и калай на дъното.
Прилагайки отрицателен потенциал, учените забелязват уникалната волт-амперна характеристика на материала: за разлика от мемристорите от метален оксид, които могат да преминат от метално състояние в изолационно състояние само при едно фиксирано напрежение, органичните молекулни мемристори са в състояние да превключват между състоянията на изолатор и проводник при няколко варианта на дискретни последователни напрежения.
Оказва се, че промяната на отрицателното напрежение кара лигандите да преминат през поредица от окислителни и редукционни процеси за сметка на електрони, които заставят молекулата да прави преход между изключено и включено състояние.
За да представят математически този много сложен волт-амперен профил, учените се отклоняват от традиционното използване на физически уравнения и описват поведението на молекулите, използвайки алгоритми на дървото за намиране на решения с условни изявления „if-then-else”.
Освен това, по време на експеримента изследователите доказват, че изобретените от тях молекулярни мемристори са способни да извършват доста сложни изчисления в една времева стъпка и след това да се препрограмират, за да изпълнят друга задача в следващия тактов цикъл.
Приложения
Според авторите на проекта, хиляди традиционни транзистори ще бъдат необходими за изпълнение на същите изчислителни функции, които едно от техните молекулярни устройства изпълнява с различни дървета на решения.
Учените очакват новата технология да стане широко разпространена в областта на разработките на енергийно-ефективна независима памет, в икономически ефективни бързи изчисления, базирани на реконфигурируеми молекулярни процесори, в нови поколения смартфони, сензори и други устройства с ограничен ресурс от енергия.
Непосредствените планове на екипа включват разработка на нови електронни устройства на базата на молекулярни мемристори, както и привличане на нови участници в проекта за задълбочено моделиране и тестване на технологията.
