Yeni Moleküler Hesaplama Cihazı, Beyin Plastisitesini Hatırlatan Eşsiz Yeniden Yapılandırılabilirliğne Sahiptir

Nature dergisinde yayınlanan bir keşifte , uluslararası bir araştırma ekibi, olağanüstü hesaplama becerisine sahip yeni bir moleküler cihaz tanımladı.

İnsan beynindeki bağlantıların esnekliğini anımsatan cihaz, uygulanan voltajları değiştirerek farklı hesaplama görevleri için anında yeniden yapılandırılabilir. Ayrıca, sinir hücreleri anıları depolayabildiği gibi, aynı cihaz da gelecekte geri almak ve işlemek için bilgileri saklayabilir.

“Beyin, sinir hücreleri arasında bağlantılar kurarak ve keserek etrafındaki kabloları değiştirme konusunda olağanüstü bir yeteneğe sahiptir. Texas A&M Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde profesör olan Dr. R. Stanley Williams, fiziksel bir sistemde karşılaştırılabilir bir şey elde etmek son derece zor oldu” dedi. “Şimdi, beyindeki gibi fiziksel bağlantıları değiştirerek değil, mantığını yeniden programlayarak elde edilen, dramatik yeniden yapılandırılabilirliğe sahip moleküler bir cihaz yarattık.”

Dr. T. Venkatesan, Oklahoma Üniversitesi Kuantum Araştırma ve Teknoloji Merkezi (CQRT) direktörü, Gaithersburg Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü Bilimsel Üyesi ve Singapur Ulusal Üniversitesi’nde elektrik ve bilgisayar mühendisliği yardımcı profesörü , moleküler cihazlarının gelecekte gelişmiş hesaplama gücü ve hızına sahip, ancak önemli ölçüde azaltılmış enerji tüketen yeni nesil işleme çiplerinin tasarlanmasına yardımcı olabileceğini de sözlerine ekledi.

İster tanıdık dizüstü bilgisayar ister sofistike bir süper bilgisayar olsun, dijital teknolojiler ortak bir düşmanla, von Neumann darboğazı ile karşı karşıya. Hesaplamalı işlemedeki bu gecikme, veri ve programları içeren belleğin işlemciden fiziksel olarak ayrıldığı mevcut bilgisayar mimarilerinin bir sonucudur. Sonuç olarak, bilgisayarlar iki sistem arasında bilgi alışverişi yapmak için önemli miktarda zaman harcar ve bu da darboğaza neden olur. Ayrıca, son derece yüksek işlemci hızlarına rağmen, bu birimler bilgi alışverişi dönemlerinde uzun süre boşta kalabilir.

Bellek birimleri ve işlemciler tasarlamak için kullanılan geleneksel elektronik parçalara bir alternatif olarak, memristör adı verilen cihazlar, von Neumann darboğazını aşmanın bir yolunu sunar. Niyobyum dioksit ve vanadyum dioksit gibi memristörler, belirli bir sıcaklıkta yalıtkan olmaktan iletkene geçiş yaparlar. Bu özellik, bu tip memristörlere hesaplama yapma ve veri depolama yeteneği verir.

Bununla birlikte, pek çok avantajlarına rağmen, bu metal oksit memristörler, nadir toprak elementlerinden yapılmıştır ve yalnızca kısıtlayıcı sıcaklık rejimlerinde çalışabilir. Williams, bu nedenle, karşılaştırılabilir bir bellek işlevi gerçekleştirebilecek gelecek vaat eden organik moleküller için devam eden bir araştırma olduğunu söyledi.

Hindistan Bilim Yetiştirme Derneği’nde profesör olan Dr. Sreebrata Goswami, bu çalışmada kullanılan materyali tasarladı. Bileşik, ligandlar olarak adlandırılan üç fenil azo piridin organik molekülüne bağlı bir merkezi metal atomuna (demir) sahiptir.

Sreebrata, “Bu, geri dönüşümlü olarak altı elektronu emebilen ve yedi farklı redoks durumuyla sonuçlanan bir elektron süngeri gibi davranır” dedi. “Bu durumlar arasındaki karşılıklı bağlantı, bu çalışmada gösterilen yeniden yapılandırılabilirliğin arkasındaki anahtardır.”

Singapur Ulusal Üniversitesi’nde araştırmacı olan Dr. Sreetosh Goswami, bu projeyi, üstte bir altın tabakası ile altın infüzyonlu nanodisk ve indiyum kalay oksit arasına sıkıştırılmış 40 nanometrelik bir moleküler film tabakasından oluşan küçük bir elektrik devresi oluşturarak tasarladı. altta.

Cihaza negatif voltaj uygulandığında Sreetosh, daha önce hiç kimsenin görmediği bir akım-voltaj profiline tanık oldu. Sadece bir sabit voltajda metalden yalıtkana geçebilen metal oksit memristörlerin aksine, organik moleküler cihazlar birkaç farklı ardışık voltajda yalıtkandan iletkene geçiş yapabilir.

“Yani, cihazı bir açma-kapama düğmesi olarak düşünürseniz, voltajı daha negatif süpürdüğümüz için, cihaz önce açıldı, sonra kapandı, sonra açıldı, sonra tekrar açıldı. Koltuğumuzdan havaya uçtuğumuzu söyleyeceğim, ”dedi Venkatesan. “Gördüklerimizin gerçek olduğuna kendimizi inandırmak zorundaydık.”

Sreetosh ve Sreebrata, Raman spektroskopisi adı verilen bir görüntüleme tekniği kullanarak meraklı anahtarlama davranışının altında yatan moleküler mekanizmaları araştırdı. Özellikle, organik molekülün çoklu geçişleri açıklayabilecek titreşim hareketinde spektral imzalar aradılar. Araştırmaları, voltajı negatif olarak süpürmenin, molekül üzerindeki ligandları, molekülün kapalı ve açık durumlar arasında geçiş yapmasına neden olan bir dizi indirgeme veya elektron kazanma olayı geçirmesi için tetiklediğini ortaya çıkardı.

Daha sonra, moleküler cihazın son derece karmaşık akım-voltaj profilini matematiksel olarak tanımlamak için Williams, temel fizik tabanlı denklemlerin geleneksel yaklaşımından saptı. Bunun yerine, moleküllerin davranışını, çeşitli bilgisayar programlarında, özellikle dijital oyunlarda yaygın bir kod satırı olan “if-then-else” ifadeleriyle bir karar ağacı algoritması kullanarak tanımladı.

“Video oyunları, bir şeyler yapan bir karaktere sahip olduğunuz ve bunun sonucunda da bir şeylerin meydana geldiği bir yapıya sahip. Ve böylece, bunu bir bilgisayar algoritmasında yazarsanız, bunlar if-then-else ifadeleridir” dedi Williams. “Burada, uygulanan voltajın bir sonucu olarak molekül bir baştan bir başa dönüyor ve işte o zaman bu cihazları tanımlamak için karar ağaçlarını kullanmak için eureka anına sahip oldum ve çok iyi çalıştı.”

Ancak araştırmacılar, farklı gerçek dünyadaki hesaplama görevleri için programlar çalıştırmak için bu moleküler cihazlardan yararlanmak için bir adım daha ileri gittiler. Sreetosh, deneysel olarak, cihazlarının tek bir zaman adımında oldukça karmaşık hesaplamalar yapabildiğini ve ardından bir sonraki anda başka bir görevi gerçekleştirmek için yeniden programlanabileceğini gösterdi.

“Oldukça olağanüstüydü; bizim cihazımız beynin yaptığına benzer bir şey yapıyordu ama çok farklı bir şekilde” dedi Sreetosh. “Yeni bir şey öğrenirken veya karar verirken, beyin aslında etrafındaki fiziksel kabloları yeniden yapılandırabilir ve değiştirebilir. Benzer şekilde, cihazlarımızı daha önce gördüklerinden farklı bir voltaj darbesi vererek mantıksal olarak yeniden programlayabilir veya yeniden yapılandırabiliriz.”

Venkatesan, farklı karar ağaçlarına sahip moleküler cihazlarından biri ile aynı hesaplama işlevlerini yerine getirmenin binlerce transistör alacağını kaydetti. Bu nedenle, teknolojilerinin ilk olarak cep telefonları ve sensörler gibi elde taşınan cihazlarda ve gücün sınırlı olduğu diğer uygulamalarda kullanılabileceğini söyledi.

Araştırmaya katkıda bulunan diğer kişiler arasında Singapur Ulusal Üniversitesi’nden Dr. Abhijeet Patra ve Dr. Ariando; Hindistan Bilim Yetiştirme Derneği’nden Dr. Rajib Pramanick ve Dr. Santi Prasad Rath; Hewlett Packard Enterprise, Colorado’dan Dr. Martin Foltin; ve İrlanda, Limerick Üniversitesi’nden Dr. Damien Thompson.

Venkatesan, bu araştırmanın, Hindistan Bilim Enstitüsü’ndeki nanobilim ve mühendislik merkezini ve NIST’deki Mikrosistemler ve Nanoteknoloji Bölümünü içerecek olan bu ortak ekibin gelecekteki keşiflerinin bir göstergesi olduğunu söyledi.

Bu çok disiplinli ve çok uluslu araştırma, Singapur Ulusal Araştırma Vakfı tarafından Rekabetçi Araştırma Programları kapsamında desteklenmiştir; Bilim ve Mühendislik Araştırma Kurulu, Hindistan; Texas A&M’deki Başkanın Mükemmellik Fonu’nun X-Grants Programı; Bilim, Teknoloji ve Araştırma, Singapur, Gelişmiş İmalat ve Mühendislik Bireysel Araştırma Bursu kapsamında; Oklahoma CQRT Üniversitesi’nde başlangıç ​​fonları; ve Bilim Vakfı, İrlanda.