В отличие от проводных стандартных схем, молекулярное устройство можно перенастроить, используя напряжение, для реализации различных вычислительных задач. Энергоэффективная новая технология, обеспечивающая повышенную вычислительную мощность и скорость, потенциально может использоваться в периферийных вычислениях, а также в портативных устройствах и приложениях с ограниченным ресурсом питания.
«Эта работа является значительным прорывом в нашем стремлении к разработке низкоэнергетических вычислений. Идея использования нескольких переключений в одном элементе черпает вдохновение из того, как работает мозг, и фундаментально переосмысливает стратегию проектирования логической схемы », – сказал доцент Ариандо из физического факультета NUS, руководивший исследованием.
Исследование было впервые опубликовано в журнале Nature 1 сентября 2021 года и выполнено в сотрудничестве с Индийской ассоциацией развития науки, Hewlett Packard Enterprise, Университетом Лимерика, Университетом Оклахомы и Техасским университетом A&M.
Технология, вдохновленная мозгом
«Это новое открытие может способствовать развитию периферийных вычислений как сложного подхода к вычислениям в оперативной памяти для преодоления узкого места фон Неймана, задержки вычислительной обработки, наблюдаемой во многих цифровых технологиях из-за физического разделения памяти и процессора устройства», сказал доцент Ариандо. Новое молекулярное устройство также может внести свой вклад в разработку процессорных чипов следующего поколения с повышенной вычислительной мощностью и скоростью.
«Подобно гибкости и адаптируемости соединений в человеческом мозгу, наше запоминающее устройство можно на лету перенастроить для решения различных вычислительных задач, просто изменив приложенное напряжение. Кроме того, подобно тому, как нервные клетки могут хранить воспоминания, одно и то же устройство может также сохранять информацию для будущего поиска и обработки », – сказал первый автор доктор Сритош Госвами, научный сотрудник отдела физики NUS.
Член исследовательской группы д-р Шриобрата Госвами, который был старшим научным сотрудником NUS и ранее профессором Индийской ассоциации развития науки, концептуализировал и сконструировал молекулярную систему, принадлежащую к химическому семейству фенилазопиридинов, которые имеют связанный центральный атом металла. к органическим молекулам, называемым лигандами. «Эти молекулы похожи на электронные губки, которые могут обеспечивать до шести переносов электронов, что приводит к пяти различным молекулярным состояниям. Взаимосвязь между этими состояниями является ключом к реконфигурируемости устройства », – пояснил д-р Шриобрата Госвами.
Доктор Сритош Госвами создал крошечную электрическую цепь, состоящую из 40-нанометрового слоя молекулярной пленки, зажатой между верхним слоем золота и нижним слоем нанодиска с добавлением золота и оксида индия и олова. Он наблюдал беспрецедентный профиль вольт-амперной характеристики при подаче отрицательного напряжения на устройство. В отличие от обычных металлооксидных мемристоров, которые включаются и выключаются только при одном фиксированном напряжении, эти органические молекулярные устройства могут переключаться между включенным и выключенным состояниями при нескольких дискретных последовательных напряжениях.
С помощью метода визуализации, называемого рамановской спектроскопией, наблюдались спектральные признаки колебательного движения органической молекулы для объяснения множественных переходов.
Д-р Шриобрата Госвами объяснил: «Подъем отрицательного напряжения вызвал у лигандов молекулы серию восстановлений или накопления электронов, что привело к переходу молекулы между выключенным и включенным состояниями."
Исследователи описали поведение молекул, используя алгоритм дерева решений с утверждениями «если-то-еще», который используется при кодировании нескольких компьютерных программ, в частности цифровых игр, по сравнению с традиционным подходом, основанным на использовании основ физики. уравнения.
Новые возможности для энергоэффективных устройств
Основываясь на своих исследованиях, команда использовала устройства молекулярной памяти для запуска программ для различных реальных вычислительных задач.
В качестве доказательства концепции команда продемонстрировала, что их технология может выполнять сложные вычисления за один шаг и может быть перепрограммирована для выполнения другой задачи в следующий момент. Отдельное устройство молекулярной памяти может выполнять те же вычислительные функции, что и тысячи транзисторов, что делает эту технологию более мощным и энергоэффективным вариантом памяти.
«Эта технология может сначала использоваться в портативных устройствах, таких как сотовые телефоны и датчики, а также в других приложениях, где мощность ограничена», – добавил доцент Ариандо.
Команда в процессе создания новых электронных устройств, включающих их инновации, и работает с коллегами для проведения моделирования и тестирования существующих технологий.
Среди других участников исследования – Абхиджит Патра и Санти Прасад Рат из NUS, Раджиб Праманик из Индийской ассоциации развития науки, Мартин Фолтин из Hewlett Packard Enterprise, Дэмиен Томпсон из Университета Лимерика, штат Торонто.
Венкатесан из Университета Оклахомы и Р. Стэнли Уильямс из Техасского университета A&M.