Naukowcy z EPFL opracowali nowatorski memrystor nanofluidyczny – urządzenie naśladujące wydajne przetwarzanie informacji w mózgu w oparciu o jony. W przeciwieństwie do tradycyjnych memrystorów wykorzystujących elektrony, to urządzenie wykorzystuje szereg jonów, takich jak potas, sód i wapń, do przełączania stanów pamięci i przechowywania danych. Innowacyjne podejście może zaowocować bardziej skalowalnymi i wydajnymi rozwiązaniami pamięci, a nawet w pełni płynnymi obwodami do zastosowań takich jak interfejsy mózg-komputer. Źródło: SciTechDaily
Nowy nanofluidyczny memrystor naśladuje przetwarzanie w mózgu przy użyciu jonów, zwiększając wydajność i skalowalność obliczeń.
Pamięć, czyli zdolność do przechowywania informacji w łatwo dostępny sposób, jest podstawową operacją zarówno w komputerach, jak iw ludzkim mózgu. Istnieją jednak zasadnicze różnice w sposobie przetwarzania informacji. Podczas gdy ludzki mózg wykonuje obliczenia bezpośrednio na przechowywanych danych, komputery muszą przesyłać dane między jednostką pamięci a jednostką centralną (CPU). Ta nieefektywna separacja, znana jako wąskie gardło von Neumanna, przyczynia się do rosnących kosztów energii komputerów.
Opracowywanie nanofluidycznych urządzeń pamięciowych
Od ponad 50 lat naukowcy pracują nad koncepcją memrystora (rezystora pamięci), elementu elektronicznego, który może zarówno obliczać, jak i przechowywać dane, podobnie jak synapsa. Aleksandra Radenovic z Laboratorium Biologii Nanoskali (LBEN) w Szkole Inżynierskiej EPFL postawiła sobie za cel jeszcze bardziej ambitne: funkcjonalne nanofluidyczne urządzenie pamięciowe, które opiera się na jonach, a nie na elektronach i ich przeciwnie naładowanych odpowiednikach (dziurach). Podejście to dokładniej naśladowałoby sposób przetwarzania informacji przez ludzki mózg, a zatem byłoby bardziej energooszczędne.
Radenovic mówi: „Memrystory były już wykorzystywane do budowy elektronicznych sieci neuronowych, ale naszym celem jest zbudowanie nanofluidycznej sieci neuronowej, która wykorzystuje zmiany stężenia jonów, podobnie jak w żywych organizmach”.
Sztuczne synapsy nanofluidyczne mogą przechowywać pamięć obliczeniową. Źródło: ©EPFL 2024 / Andras Kis
„Wyprodukowaliśmy nowe urządzenie nanofluidyczne do zastosowań związanych z pamięcią, które jest znacznie bardziej skalowalne i znacznie wydajniejsze niż poprzednie próby”, mówi Théo Emmerich, badacz z tytułem doktora w LBEN. „Umożliwiło nam to po raz pierwszy połączenie dwóch takich„ sztucznych synaps ”, torując drogę do zaprojektowania płynnego sprzętu inspirowanego mózgiem”. Wyniki badań opublikowano niedawno w Elektronika natury.
Memrystory w praktyce: przejście na jony
Memrystory mogą przełączać się między dwoma stanami przewodnictwa – włączaniem i wyłączaniem – poprzez manipulację przyłożonym napięciem. Podczas gdy memrystory elektroniczne do przetwarzania informacji cyfrowych wykorzystują elektrony i dziury, memrystor LBEN może wykorzystywać szereg różnych jonów. Na potrzeby badań naukowcy zanurzyli swoje urządzenie w wodnym roztworze elektrolitu zawierającym jony potasu, ale można było zastosować inne, w tym sód i wapń.
„Możemy dostroić pamięć naszego urządzenia, zmieniając używane przez nas jony, co wpływa na sposób włączania i wyłączania urządzenia lub ilość przechowywanej pamięci” – wyjaśnia Emmerich.
Innowacje w technologii pamięci
Urządzenie zostało wyprodukowane na chipie w EPFL Centrum MikroNanoTechnologii poprzez utworzenie nanoporu w środku membrany z azotku krzemu. Naukowcy dodali warstwy palladu i grafitu, aby utworzyć nanokanały dla jonów. Gdy prąd przepływa przez chip, jony przenikają przez kanały i zbiegają się w porach, gdzie ich ciśnienie tworzy pęcherz pomiędzy powierzchnią chipa a grafitem. W miarę wypychania warstwy grafitu przez blister urządzenie staje się bardziej przewodzące, przełączając stan pamięci na „włączony”. Ponieważ warstwa grafitu pozostaje podniesiona nawet bez prądu, urządzenie „pamięta” swój poprzedni stan. Ujemne napięcie ponownie styka warstwy, resetując pamięć do stanu „wyłączonego”.
„Kanały jonowe w mózgu ulegają zmianom strukturalnym wewnątrz synapsy, więc naśladuje to również biologię” – mówi doktorant LBEN Yunfei Teng, który pracował nad wyprodukowaniem urządzeń – nazwanych kanałami wysoce asymetrycznymi (HAC) w nawiązaniu do kształtu przepływu jonów w stronę porów centralnych.
Doktorant LBEN, Nathan Ronceray, dodaje, że obserwacja przez zespół działania pamięci HAC w czasie rzeczywistym również jest nowatorskim osiągnięciem w tej dziedzinie. „Ponieważ mieliśmy do czynienia z zupełnie nowym zjawiskiem pamięci, zbudowaliśmy mikroskop, aby obejrzeć je w akcji”.
Przyszłe kierunki i zastosowania
Współpracując z Riccardo Chiesą i Edoardo Lopriore z Laboratorium Elektroniki i Struktur w Nanoskalipod przewodnictwem Andrasa Kisa naukowcom udało się połączyć dwa HAC z elektrodą, tworząc obwód logiczny oparty na przepływie jonów. To osiągnięcie stanowi pierwszą demonstrację cyfrowych operacji logicznych opartych na urządzeniach jonowych przypominających synapsy. Ale badacze na tym nie poprzestają: ich kolejnym celem jest połączenie sieci HAC z kanałami wodnymi w celu stworzenia obiegów w pełni płynnych. Oprócz zapewnienia wbudowanego mechanizmu chłodzenia wykorzystanie wody ułatwiłoby rozwój biokompatybilnych urządzeń o potencjalnych zastosowaniach w interfejsach mózg-komputer lub neuromedycynie.
Odniesienie: „Nanofluidyczna logika z mechaniczno-jonowymi przełącznikami pamięciowymi” autorstwa Theo Emmericha, Yunfei Tenga, Nathana Ronceraya, Edoardo Lopriore, Riccardo Chiesy, Andreya Cherneva, Vasily’ego Artemova, Massimiliano Di Ventry, Andrasa Kisa i Aleksandry Radenovic, 19 marca 2024 r., Elektronika natury.
DOI: 10.1038/s41928-024-01137-9
