新しい分子コンピューティングデバイスは、脳の色を彷彿とさせる前例のない再構成の可能性を秘めています

雑誌に掲載された発見で 気性、 研究者の国際的なチームは、並外れた計算の創意工夫を備えた新しい分子デバイスについて説明しました。

人間の脳の通信の柔軟性を彷彿とさせるこのデバイスは、飛行中に再構成して、印加電圧を変更するだけでさまざまな計算タスクを実行できます。 さらに、ニューロンがメモリを保存できるように、デバイス自体も将来の検索と処理のために情報を保持できます。

脳には、ニューロン間の接続を作成および切断することにより、周囲のワイヤーを変更する驚くべき能力があります。 R博士は言った。 テキサスA＆M大学の電気コンピュータ工学科の教授であるスタンリーウィリアムズ氏は、物理システムで同様のことを達成することは非常に困難であると述べました。 「私たちは今、劇的なリモデリングの可能性を秘めた分子デバイスを作成しました。これは、脳のように物理的な接続を変更することではなく、そのロジックを再プログラミングすることによって実現されます。」

オクラホマ大学量子研究技術センター（CQRT）の所長、ゲーサーズバーグ国立標準技術研究所の科学会員、国立大学の電気およびコンピューター工学の助教授であるT.ベンカテサン博士シンガポールは、彼らの分子デバイスが将来、処理チップの設計に役立つ可能性があると付け加えました。計算能力と速度が改善された次世代ですが、消費電力は大幅に少なくなっています。

使い慣れたラップトップであろうとハイエンドのスーパーコンピューターであろうと、デジタルテクノロジーは共通の敵であるフォンノイマンボトルネックに直面しています。 計算処理のこの遅延は、データとプログラムを含むメモリがプロセッサから物理的に分離されている現在のコンピュータアーキテクチャの結果です。 その結果、コンピューターは2つのシステム間で情報を送信するのに長い時間を費やし、スロットルを引き起こします。 また、プロセッサの速度が非常に速いにもかかわらず、これらのユニットは情報交換期間中に長期間アイドル状態になる可能性があります。

メモリモジュールとプロセッサの設計に使用される従来の電子部品の代替として、メモリスタと呼ばれるデバイスは、フォンノイマンボトルネックを回避する方法を提供します。 二酸化ニオブや二酸化バナジウムで作られたものなどのメモリスタは、特定の温度で絶縁体から導体になります。 このプロパティにより、これらのタイプのメモリスタは計算を実行してデータを保存することができます。

ただし、多くの利点があるにもかかわらず、これらの金属酸化物メモリスタは希土類元素でできており、制限された温度領域でのみ動作できます。 したがって、同様の記憶機能を実行できる有望な有機分子の継続的な調査が行われている、とウィリアムズ氏は述べた。

インド科学栽培協会の教授であるSriprataGoswami博士が、この作業で使用される材料を設計しました。 複合体には中央のミネラルが含まれています コーン （鉄）は、結合と呼ばれる3つのフェニルアゾピリジン有機分子に結合しています。

「これは、最大6つの電子を可逆的に吸収できる電子スポンジのように動作し、7つの異なる酸化還元状態をもたらします」とSriprata氏は述べています。 「これらの状態間の相互関係は、この作業で説明されている再構成の背後にある鍵です。」

シンガポール国立大学の研究者であるSritushGoswami博士は、上部の金の層と金と酸化インジウムスズで研磨されたナノディスクの間に挟まれた40ナノメートルの分子膜の層からなるマイクロ回路を作成することによってプロジェクトを考案しました。 一番下に。

負の電圧がデバイスに印加されたとき、Sritoshはこれまで誰も見たことがなかったような電流電圧プロファイルを見ました。 1つの定電圧のみで金属から絶縁体に切り替えることができる金属酸化物メモリスタとは異なり、有機分子デバイスは、別々の直列電圧で絶縁体から導体に切り替えることができます。

「したがって、デバイスをオンオフスイッチと考えると、電圧をより負にスイープしていましたが、デバイスは最初にオンからオフになり、次にオフからオンになり、次にオンからオフになり、再びオンになりました」とVenkatesan氏は述べています。 。：「私たちは席から吹き飛ばされたと言います。」「私たちは自分たちが見ているものが本物であると自分自身に確信させなければなりませんでした。」

SreetoshとSreebrataは、ラマン分光法と呼ばれるイメージング技術を使用して、奇妙なスイッチング動作の根底にある分子メカニズムを調査しました。 特に、彼らは、複数の遷移を説明できる有機分子の振動運動のスペクトルシグネチャを検索しました。 彼らの調査により、負の電圧を掃引すると、分子の結合が一連の還元または電子獲得イベントを受け、分子が状態外と状態の間で遷移することが明らかになりました。

次に、分子デバイスの非常に複雑な電流-電圧プロファイルを数学的に説明するために、ウィリアムズは基本的な物理ベースの方程式への従来のアプローチから逸脱しました。 代わりに、多くのコンピュータープログラム、特にデジタルゲームで一般的なコード行である「if-then-else」ステートメントを使用して、決定木アルゴリズムを使用して粒子の動作を記述します。

「ビデオゲームには、何かをするキャラクターがいて、結果として何かが起こるという構造があります。したがって、それをコンピューターアルゴリズムに書き込むと、それはifです。」私は決定木を使用して説明するユーレカの瞬間がありました。これらのデバイス、そしてそれは非常にうまく機能しました。」

しかし、研究者たちは、これらの分子デバイスを利用して、さまざまな実世界の計算タスク用のプログラムを実行するところまで行ってきました。 Sreetoshは、マシンが1つのタイムステップでかなり複雑な計算を実行し、次の瞬間に別のタスクを実行するように再プログラムできることを実験的に実証しました。

「それは非常に珍しいことでした。私たちの装置は脳と同じようなことをしていましたが、まったく異なる方法でした」とスリトッシュ氏は言います。それ。 同様に、以前に見たものとは異なる電圧パルスをデバイスに与えることで、デバイスを論理的に再プログラムまたは再構成することができます。」

Venkatesanは、異なる決定木を持つ分子デバイスの1つと同じ計算機能を実行するには、何千ものトランジスタが必要になると述べました。 したがって、彼は、彼らの技術は、携帯電話やセンサーなどのモバイルデバイス、および電力が制限されている他のアプリケーションで最初に使用される可能性があると述べました。

参照：「分子メモリスタ内の決定木」Sreetosh Goswami、Rajib Pramanick、Abhijeet Patra、Santi Prasad Rath、Martin Foltin、A。Ariando、Damien Thompson、T。Venkatesan、Sreebrata Goswami、R。StanleyWilliams、2021年9月1日こちらから入手できます。 気性の性質。
DOI：10.1038 / s41586-021-03748-0

この研究の他の貢献者には、シンガポール国立大学のAbhijitBatra博士とAriando博士が含まれます。 RajeebBramanikとDr. 科学の栽培のためのインド協会のサンティプラサドラス; 博士。 コロラド州ヒューレットパッカードエンタープライズのマーティンフォルテン。 アイルランドのリムリック大学のダミアン・トンプソン博士。

Venkatesanは、この研究は、インド科学研究所のナノサイエンスおよびエンジニアリングセンターと、米国国立標準技術研究所（NIST）のマイクロシステムおよびナノテクノロジー部門を含むこの共同チームからの将来の発見を示していると述べました。

この学際的かつ多国籍の研究は、シンガポール国立研究財団の競争的研究プログラムの下で支援されました。 科学工学研究評議会、インド; テキサスA＆MプレジデンシャルファンドオブエクセレンスX-Grantsプログラム; シンガポールの科学技術研究は、高度な製造およびエンジニアリングのための個別の研究助成金の下にあります。 オクラホマ大学CQRTのスタートアップ資金。 および科学財団、アイルランド。