Создан процессор, аппаратная архитектура которого меняется «на лету»
Международная группа ученых создала и опробовала вычислительное устройство на основе молекулярных мемристоров, которое, подобно мозгу человека, способно мгновенно перенастраивать внутренние соединения перепрограммированием логики. Технология оказалась очень быстрой и энергоэффективной.
Программно-определяемый "мозг"
Международная группа ученых из Сингапура, Ирландии, США и Индии объявила о создании новой разновидности электронного вычислительного устройства на базе молекулярных мемристоров, архитектуру которого можно переконфигурировать "на лету" простым изменением приложенного напряжения для решения различных вычислительных задач.
В своей статье "Древовидная схема поиска решений на молекулярном мемристоре" (Decision trees within a molecular memristor), опубликованной в последнем выпуске журнала Nature, ученые рассказали, что по аналогии с нервными клетками человеческого мозга, процессоры на молекулярных мемисторах могут выполнять вычисления и хранить информацию для будущих вычислений.
В отличие от популярных сегодня разработок нейроморфных процессоров с архитектурой спайковых нейросетей (SNN), где связи между "искусственными нейронами" постоянны, процессор на молекулярных мемристорах обладает возможностью программного изменения своей аппаратной архитектуры.
"Мозг обладает замечательной способностью... создавать и разрывать связи между нервными клетками, - сказал доктор Р. Стэнли Уильямс (R. Stanley Williams), профессор кафедры электротехники и компьютерной инженерии при Техасском университете A&M. - Достижение чего-то физически сопоставимого было чрезвычайно сложной задачей. Мы создали молекулярное устройство с высокой реконфигурируемостью, которая достигается не изменением физических связей - как в мозге, а перепрограммированием его логики".
Новая технология на молекулярных мемристорах, по мнению исследователей, способна производить расчеты с высокой скоростью и энергетической эффективностью, что делает ее перспективной для применения в устройствах периферийных вычислений и портативной электронике с ограниченным ресурсом питания.
Как это работает
Мемристорами называют электронные компоненты, которые способны превращаться из изолятора в проводник при определенной температуре, и затем сохранять это состояние, что позволяет выполнять вычисления и хранить данные с их помощью. Несмотря на многочисленные преимущества, традиционные металлооксидные мемристоры - например, из диоксида ниобия и диоксида ванадия, содержат слишком много дорогостоящих редкоземельных элементов и работают лишь в ограниченном диапазоне температур.
Ученым удалось создать химическое соединение с центральным атомом металла (железа), который связан с тремя органическими молекулами (лигандами) фенилазопиридина. В процессе экспериментов выяснилось, что полученный материал способен "как электронная губка" обратимо поглощать до шести электронов. Иными словами, такой материал обладает семью различным окислительно-восстановительными состояниями, обеспечивающими реконфигурируемость молекулярных мемристоров.
Формула и конструкция молекулярного мемристора
Исследователи создали на базе этого материала сверхминиатюрную электрическую цепь из 40-нанометрового слоя молекулярной пленки, расположенной между слоем золота сверху и нанодиском с напылением золота, оксида индия и олова снизу.
Приложив отрицательный потенциал, ученые отметили уникальную вольтамперную характеристику материала: в отличие от металл-оксидных мемристоров, способных переключаться из состояния металла в состояние изолятора только при одном фиксированном напряжении, органические молекулярные мемристоры оказались способны переключаться между состояниями изолятора и проводника при нескольких вариантах дискретных последовательных напряжений.
Вольтамперная характеристика молекулярного мемристора: семь устойчивых состояний
Как выяснилось, изменение отрицательного напряжения заставляет лиганды молекулы проходить серию окислительных и восстановительных процессов за счет электронов, которые заставляют молекулу переходить между выключенным и включенным состояниями.
Для математического описания этого очень сложного вольтамперного профиля ученые отклонились от традиционного использования физических уравнений, и описали поведение молекул с помощью алгоритмов дерева поиска решений с утверждениями "if-then-else".
Далее исследователи в процессе эксперимента доказали, что изобретенные ими молекулярные мемристоры способны выполнять довольно сложные вычисления за один временной шаг, и затем перепрограммироваться для выполнения другой задачи в следующий такт.
Перспективы проекта
По мнению авторов проекта, для выполнения тех же вычислительных функций, которые делает одно из их молекулярных устройств с различными деревьями решений, потребуются тысячи традиционных транзисторов.
Эти свойства, по мнению авторов проекта, позволят новой технологии получить большое распространение в области перспективных разработок энергоэффективной независимой памяти. Кроме того, экономичные быстрые вычисления на базе реконфигурируемых молекулярных процессоров также найдут применение в новых поколениях смартфонов, сенсоров и других устройств с ограниченным бюджетом питания, считают ученые.
В ближайших планах команды разработчиков - создание новых электронных устройств на базе молекулярных мемристоров, а также привлечение к проекту новых участников для проведения углубленного моделирования и тестирования новой технологии.
