Un nouveau dispositif de calcul moléculaire a un potentiel de reconfiguration sans précédent rappelant la couleur du cerveau

Dans une découverte publiée dans le magazine tempérer la nature, Une équipe internationale de chercheurs a décrit un nouveau dispositif moléculaire doté d’une ingéniosité informatique exceptionnelle.

Rappelant la flexibilité de communication du cerveau humain, l’appareil peut être reconfiguré en vol pour effectuer diverses tâches de calcul simplement en changeant les tensions appliquées. De plus, tout comme les neurones peuvent stocker des souvenirs, l’appareil lui-même peut également contenir des informations pour une récupération et un traitement futurs.

Le cerveau a une incroyable capacité à changer les fils qui l’entourent en créant et en coupant des connexions entre les neurones. Le Dr R. a déclaré : Stanley Williams, professeur au Département de génie électrique et informatique de l’Université Texas A&M, a déclaré qu’il était très difficile de réaliser quelque chose de similaire dans un système physique. « Nous avons maintenant créé un dispositif moléculaire qui a le potentiel de remodelage spectaculaire, qui est obtenu non pas en changeant les connexions physiques comme dans le cerveau, mais en reprogrammant sa logique. »

Dr T. Venkatesan, directeur du Center for Quantum Research and Technology (CQRT) à l’Université de l’Oklahoma, membre scientifique de l’Institut national des normes et de la technologie, Gaithersburg, et professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’Université nationale de Singapour, a ajouté que leurs dispositifs moléculaires pourraient à l’avenir aider à concevoir des puces de traitement de nouvelle génération avec une puissance et une vitesse de calcul améliorées, mais qui consomment beaucoup moins d’énergie.

Qu’il s’agisse d’un ordinateur portable familier ou d’un superordinateur haut de gamme, les technologies numériques font face à un ennemi commun, le goulot d’étranglement de von Neumann. Ce retard dans le traitement informatique est une conséquence des architectures informatiques actuelles, où la mémoire, qui contient des données et des programmes, est physiquement séparée du processeur. En conséquence, les ordinateurs passent beaucoup de temps à transmettre des informations entre les deux systèmes, ce qui provoque une limitation. De plus, malgré des vitesses de processeur très élevées, ces unités peuvent être inactives pendant de longues périodes pendant les périodes d’échange d’informations.

En tant qu’alternative aux composants électroniques traditionnels utilisés pour concevoir des modules de mémoire et des processeurs, les dispositifs appelés memristors offrent un moyen de contourner le goulot d’étranglement de von Neumann. Les memristors, tels que ceux constitués de dioxyde de niobium et de dioxyde de vanadium, passent d’isolant à conducteur à une température spécifique. Cette propriété donne à ces types de memristors la possibilité d’effectuer des calculs et de stocker des données.

Cependant, malgré leurs nombreux avantages, ces memristors à oxyde métallique sont constitués d’éléments de terres rares et ne peuvent fonctionner que dans des régimes de température restreints. Par conséquent, il y a eu une recherche continue de molécules organiques prometteuses qui peuvent remplir une fonction memristive similaire, a déclaré Williams.

Le Dr Sriprata Goswami, professeur à l’Association indienne pour la culture des sciences, a conçu les matériaux utilisés dans ce travail. Le complexe contient un minéral central atome (Le fer) est lié à trois molécules organiques de phényl azopyridine appelées liaisons.

« Cela se comporte comme une éponge électronique qui peut absorber de manière réversible jusqu’à six électrons, ce qui entraîne sept états redox différents », a déclaré Sriprata. « L’interrelation de ces états est la clé derrière la reconfiguration décrite dans cet ouvrage. »

Le Dr Srithush Goswami, chercheur à l’Université nationale de Singapour, a conçu le projet en créant un microcircuit composé d’une couche de 40 nanomètres de film moléculaire prise en sandwich entre une couche d’or sur le dessus et un nanodisque poli avec de l’or et de l’oxyde d’indium et d’étain. en bas.

Lorsqu’une tension négative a été appliquée à l’appareil, Sritosh a vu un profil de tension de courant comme personne n’en avait vu auparavant. Contrairement aux memristors à oxyde métallique qui peuvent passer du métal à l’isolant avec une seule tension constante, les dispositifs moléculaires organiques peuvent passer d’isolant à conducteur à une tension série distincte.

« Donc, si vous considérez l’appareil comme un interrupteur marche-arrêt, où nous balayions la tension plus négativement, l’appareil est d’abord passé de marche à arrêt, puis de marche à marche, puis de marche à arrêt et à nouveau sous tension », a déclaré Venkatesan. . : « Je dirai que nous venons de sauter de notre siège. » « Nous devions nous convaincre que ce que nous voyions était réel. »

Sreetosh et Sreebrata ont étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à l’étrange comportement de commutation en utilisant une technique d’imagerie appelée spectroscopie Raman. En particulier, ils ont recherché des signatures spectrales dans le mouvement vibrationnel d’une molécule organique qui pourraient expliquer les multiples transitions. Leurs recherches ont révélé que les tensions négatives de balayage forçaient les liaisons de la molécule à subir une série d’événements de réduction, ou de gain d’électrons, qui ont provoqué la transition de la molécule entre l’état hors état et l’état.

Ensuite, pour décrire mathématiquement le profil courant-tension très complexe d’un dispositif moléculaire, Williams s’est éloigné de l’approche traditionnelle des équations basées sur la physique fondamentale. Au lieu de cela, décrivez le comportement des particules à l’aide d’un algorithme d’arbre de décision avec des instructions « if-then-else », une ligne de code courante dans de nombreux programmes informatiques, en particulier les jeux numériques.

« Les jeux vidéo ont une structure où vous avez un personnage qui fait quelque chose, puis quelque chose se produit en conséquence. Et donc, si vous écrivez cela dans un algorithme informatique, c’est un si.  » J’ai eu un moment eurêka en utilisant des arbres de décision pour décrire ces appareils, et cela a très bien fonctionné. »

Mais les chercheurs sont allés jusqu’à exploiter ces dispositifs moléculaires pour exécuter des programmes pour diverses tâches de calcul du monde réel. Sreetosh a démontré expérimentalement que leurs machines peuvent effectuer des calculs assez complexes en un seul pas de temps, puis être reprogrammées pour effectuer une autre tâche dans l’instant suivant.

« C’était très inhabituel; notre appareil faisait quelque chose comme ce que fait le cerveau, mais d’une manière complètement différente », a déclaré Sritosh. « Lorsque vous apprenez quelque chose de nouveau ou lorsque vous décidez, le cerveau peut réellement reconfigurer et changer les fils physiques autour ce. De même, nous pouvons logiquement reprogrammer ou reconfigurer nos appareils en leur donnant une impulsion de tension différente de celle qu’ils ont vue auparavant. »

Venkatesan a noté qu’il faudrait des milliers de transistors pour exécuter les mêmes fonctions de calcul que l’un de leurs dispositifs moléculaires avec des arbres de décision différents. Par conséquent, il a déclaré que leur technologie pourrait d’abord être utilisée dans les appareils mobiles, tels que les téléphones portables et les capteurs, et d’autres applications où la puissance est limitée.

Référence : « Arbres de décision au sein d’un memristor moléculaire » Par Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1er septembre 2021, Disponible ici. tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03748-0

Les autres contributeurs à la recherche incluent le Dr Abhijit Batra et le Dr Ariando de l’Université nationale de Singapour; Rajeb Bramanik et Dr. Santi Prasad Rath de l’Association indienne pour la culture de la science ; Dr.. Martin Folten de Hewlett Packard Enterprise, Colorado ; et le Dr Damien Thompson de l’Université de Limerick en Irlande.

Venkatesan a déclaré que cette recherche est révélatrice des futures découvertes de cette équipe collaborative, qui comprendra le Center for Nanoscience and Engineering de l’Indian Institute of Science et le Département des microsystèmes et de la nanotechnologie du National Institute of Standards and Technology (NIST).

Cette recherche interdisciplinaire et multinationale a été soutenue par la Fondation nationale de recherche de Singapour dans le cadre de ses programmes de recherche concurrentiels ; Conseil de recherche scientifique et technique, Inde ; Programme de subventions X-Grants du Fonds présidentiel d’excellence Texas A&M ; Science, technologie et recherche, Singapour, dans le cadre de ses subventions de recherche individuelles pour la fabrication et l’ingénierie de pointe ; fonds de démarrage à l’Université CQRT de l’Oklahoma ; et Science Foundation, Irlande.