Perangkat komputasi molekuler baru memiliki potensi konfigurasi ulang yang belum pernah terjadi sebelumnya yang mengingatkan pada warna otak

Dalam sebuah penemuan yang diterbitkan di majalah sifat marah, Sebuah tim peneliti internasional telah menggambarkan perangkat molekuler baru dengan kecerdikan komputasi yang luar biasa.

Mengingatkan pada fleksibilitas komunikasi otak manusia, perangkat dapat dikonfigurasi ulang dalam penerbangan untuk melakukan berbagai tugas komputasi hanya dengan mengubah tegangan yang diberikan. Selain itu, seperti halnya neuron dapat menyimpan memori, perangkat itu sendiri juga dapat menyimpan informasi untuk pengambilan dan pemrosesan di masa mendatang.

Otak memiliki kemampuan luar biasa untuk mengubah kabel di sekitarnya dengan membuat dan memotong koneksi antar neuron. Dr R berkata: Stanley Williams, seorang profesor di Departemen Teknik Elektro dan Komputer di Texas A&M University, mengatakan mencapai sesuatu yang serupa dalam sistem fisik sangat sulit. “Kami sekarang telah menciptakan perangkat molekuler yang memiliki potensi untuk remodeling dramatis, yang dicapai bukan dengan mengubah koneksi fisik seperti di otak, tetapi dengan memprogram ulang logikanya.”

Dr. T. Venkatesan, direktur Center for Quantum Research and Technology (CQRT) di University of Oklahoma, anggota ilmiah National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, dan asisten profesor teknik elektro dan komputer di National University of Singapura, menambahkan bahwa perangkat molekuler mereka di masa depan dapat membantu merancang chip pemrosesan Generasi berikutnya dengan daya dan kecepatan komputasi yang ditingkatkan, tetapi mengkonsumsi daya yang jauh lebih sedikit.

Baik itu laptop biasa atau superkomputer kelas atas, teknologi digital menghadapi musuh bersama, hambatan von Neumann. Penundaan dalam pemrosesan komputasi ini merupakan konsekuensi dari arsitektur komputer saat ini, di mana memori, yang berisi data dan program, secara fisik terpisah dari prosesor. Akibatnya, komputer menghabiskan waktu lama mentransmisikan informasi antara kedua sistem, yang menyebabkan pelambatan. Selain itu, meskipun kecepatan prosesor sangat tinggi, unit ini dapat menganggur untuk waktu yang lama selama periode pertukaran informasi.

Sebagai alternatif dari komponen elektronik tradisional yang digunakan untuk merancang modul memori dan prosesor, perangkat yang disebut memristor menyediakan cara untuk menghindari kemacetan von Neumann. Memristor, seperti yang terbuat dari niobium dioksida dan vanadium dioksida, berubah dari isolator menjadi konduktor pada suhu tertentu. Properti ini memberikan jenis memristor ini kemampuan untuk melakukan perhitungan dan menyimpan data.

Namun, terlepas dari banyak kelebihannya, memristor oksida logam ini terbuat dari elemen tanah jarang dan hanya dapat beroperasi dalam rezim suhu terbatas. Oleh karena itu, ada pencarian berkelanjutan untuk molekul organik yang menjanjikan yang dapat melakukan fungsi memristif serupa, kata Williams.

Dr. Sriprata Goswami, Profesor di Asosiasi Ilmu Kultivasi India, merancang bahan yang digunakan dalam pekerjaan ini. Kompleks ini mengandung mineral pusat Jagung (Besi) terkait dengan tiga molekul organik fenil azopiridin yang disebut ikatan.

“Ini berperilaku seperti spons elektronik yang secara reversibel dapat menyerap hingga enam elektron, menghasilkan tujuh keadaan redoks yang berbeda,” kata Sriprata. “Keterkaitan antar negara bagian ini adalah kunci di balik konfigurasi ulang yang dijelaskan dalam karya ini.”

Dr. Sritush Goswami, seorang peneliti di National University of Singapore, merancang proyek tersebut dengan membuat sirkuit mikro yang terdiri dari lapisan film molekuler berukuran 40 nanometer yang diapit di antara lapisan emas di atasnya dan cakram nano yang dipoles dengan emas dan oksida timah indium. Di dasar.

Ketika tegangan negatif diterapkan ke perangkat, Sritosh melihat profil tegangan arus seperti yang belum pernah dilihat sebelumnya. Tidak seperti memristor oksida logam yang dapat beralih dari logam ke isolator dengan hanya satu tegangan konstan, perangkat molekul organik dapat beralih bolak-balik dari isolator ke konduktor pada tegangan seri terpisah.

“Jadi, jika Anda menganggap perangkat sebagai sakelar hidup-mati, di mana kami menyapu tegangan lebih negatif, perangkat awalnya mati, lalu mati, lalu hidup dan hidup kembali,” kata Venkatesan. . : “Saya akan mengatakan kami baru saja meledak dari kursi kami.” “Kami harus meyakinkan diri sendiri bahwa apa yang kami lihat itu nyata.”

Sreetosh dan Sreebrata telah menyelidiki mekanisme molekuler yang mendasari perilaku peralihan aneh menggunakan teknik pencitraan yang disebut spektroskopi Raman. Secara khusus, mereka mencari tanda tangan spektral dalam gerakan vibrasi molekul organik yang dapat menjelaskan berbagai transisi. Penyelidikan mereka mengungkapkan bahwa tegangan negatif yang menyapu memaksa ikatan pada molekul untuk menjalani serangkaian reduksi, atau perolehan elektron, peristiwa yang menyebabkan molekul bertransisi antara keadaan luar dan keadaan.

Kemudian, untuk menggambarkan secara matematis profil tegangan arus yang sangat kompleks dari perangkat molekuler, Williams berangkat dari pendekatan tradisional ke persamaan berbasis fisika dasar. Sebagai gantinya, gambarkan perilaku partikel menggunakan algoritme pohon keputusan dengan pernyataan “jika-maka-lain”, baris kode umum di banyak program komputer, terutama game digital.

“Video game memiliki struktur di mana Anda memiliki karakter yang melakukan sesuatu, dan kemudian sesuatu terjadi sebagai hasilnya. Jadi, jika Anda menulisnya ke dalam algoritme komputer, itu adalah jika. “Saya memiliki momen eureka menggunakan pohon keputusan untuk menggambarkannya perangkat ini, dan itu bekerja dengan sangat baik.”

Tetapi para peneliti telah melangkah lebih jauh dengan mengeksploitasi perangkat molekuler ini untuk menjalankan program untuk berbagai tugas komputasi dunia nyata. Sreetosh telah menunjukkan secara eksperimental bahwa mesin mereka dapat melakukan perhitungan yang cukup rumit dalam satu langkah waktu dan kemudian diprogram ulang untuk melakukan tugas lain di saat berikutnya.

“Itu sangat tidak biasa; peralatan kami melakukan sesuatu seperti apa yang dilakukan otak, tetapi dengan cara yang sama sekali berbeda,” kata Sritosh. “Ketika Anda mempelajari sesuatu yang baru atau ketika Anda memutuskan, otak benar-benar dapat mengkonfigurasi ulang dan mengubah kabel fisik di sekitarnya. dia. Demikian juga, kami secara logis dapat memprogram ulang atau mengkonfigurasi ulang perangkat kami dengan memberi mereka pulsa tegangan yang berbeda dari yang pernah mereka lihat sebelumnya.”

Venkatesan mencatat bahwa dibutuhkan ribuan transistor untuk melakukan fungsi komputasi yang sama sebagai salah satu perangkat molekuler mereka dengan pohon keputusan yang berbeda. Oleh karena itu, ia mengatakan teknologi mereka pertama kali dapat digunakan di perangkat seluler, seperti ponsel dan sensor, dan aplikasi lain di mana daya terbatas.

Referensi: “Pohon keputusan dalam memristor molekuler” Oleh Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1 September 2021, Tersedia disini. sifat pemarah.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0

Kontributor lain untuk penelitian ini termasuk Dr. Abhijit Batra dan Dr. Ariando dari National University of Singapore; Rajeb Bramanik dan dr. Santi Prasad Rath dari Asosiasi India untuk Budidaya Ilmu Pengetahuan; Dr.. Martin Folten dari Hewlett Packard Enterprise, Colorado; dan Dr. Damien Thompson dari Universitas Limerick di Irlandia.

Venkatesan mengatakan penelitian ini merupakan indikasi penemuan masa depan dari tim kolaboratif ini, yang akan mencakup Pusat Nanosains dan Teknik di Institut Sains India dan Departemen Mikrosistem dan Nanoteknologi di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST).

Penelitian interdisipliner dan multinasional ini didukung oleh Singapore National Research Foundation di bawah Program Penelitian Kompetitifnya; Dewan Riset Sains dan Teknik, India; Texas A&M Presidential Fund of Excellence Program Hibah X; Sains, Teknologi dan Penelitian, Singapura, di bawah Hibah Penelitian Individu untuk Manufaktur dan Rekayasa Lanjutan; dana awal di CQRT University of Oklahoma; dan Science Foundation, Irlandia.