Prielom v molekulárnej elektronike umožní vytvoriť skutočný neuromorfný hardvér

KĽÚČOVÉ ZISTENIA

• Vedci z IISc vyvinuli molekulárne zariadenia schopné meniť funkcie v reálnom čase (pamäť, logika, synapsie).

• Zariadenia využívajú 17 variantov ruténiových komplexov na fyzikálne kódovanie svojej “inteligencie”.

• Technológia umožňuje energeticky efektívny neuromorfný hardvér integrovaný priamo na kremík.

Vedecký tím z Indického inštitútu vied (IISc) oznámil prelomový objav, ktorý môže zásadne zmeniť budúcnosť výpočtovej techniky. Podarilo sa im vytvoriť molekulárne zariadenia, ktoré nie sú len pasívnymi prvkami obvodov, ale dokážu dynamicky meniť svoje správanie v reálnom čase.

Na rozdiel od konvenčnej elektroniky, kde je funkcia tranzistora pevne daná pri výrobe, tieto nové súčiastky môžu v rámci tej istej fyzickej štruktúry prepínať medzi rôznymi rolami. Jediné zariadenie tak môže fungovať ako pamäťový prvok, logické hradlo, analógový procesor alebo umelá synapsia v závislosti od toho, ako je stimulované.

Táto adaptabilita, ktorá bola doteraz v elektronických materiáloch zriedkavá, je kľúčom k vytvoreniu hardvéru, ktorý inteligenciu iba nesimuluje, ale ju priamo fyzikálne kóduje. Základom tohto objavu je precízne chemické inžinierstvo na molekulárnej úrovni, ktoré sa vymyká tradičným prístupom v mikroelektronike.

Výskumníci syntetizovali 17 špecifických komplexov založených na kove ruténium, aby preskúmali vplyv molekulárnej štruktúry na pohyb elektrónov. Manipuláciou s ligandmi (molekulami viazanými na centrálny atóm kovu) a iónmi v okolí dokázali ovplyvniť spôsob, akým sa elektróny pohybujú cez tenký molekulárny film.

Tieto nepatrné zmeny v molekulárnej geometrii a iónovom prostredí viedli k prekvapivým výsledkom v správaní materiálu. Jediné zariadenie dokázalo vykazovať širokú škálu dynamických odoziev – od ostrého digitálneho prepínania až po plynulé analógové zmeny vodivosti.

To umožňuje zariadeniu nielen informácie ukladať a spracovávať, ale aj „učiť sa“ a „zabúdať“ spôsobom, ktorý pripomína fungovanie biologického mozgu. Celý tento proces sa odohráva na ploche niekoľkých nanometrov, čo sľubuje extrémnu hustotu integrácie.

Doterajšie pokusy o neuromorfnú techniku (hardvér inšpirovaný mozgom) sa spoliehali najmä na oxidové materiály a vláknové prepínanie. Tieto systémy však učenie len napodobňovali pomocou zložito navrhnutých vonkajších obvodov a inžinierstva, namiesto toho, aby bolo učenie vnútornou vlastnosťou materiálu.

Nový prístup IISc integruje pamäť a výpočet priamo do materiálu samotného, čím eliminuje potrebu prenosu dát medzi oddelenými blokmi. Aby tento jav nielen pozorovali, ale aj pochopili a predikovali, tím vyvinul robustný teoretický rámec založený na kvantovej chémii a fyzike mnohých telies.

Tento model im umožňuje presne sledovať pohyb elektrónov, oxidáciu a redukciu jednotlivých molekúl a presuny protiiónov v molekulárnej matrici. Tieto procesy spoločne určujú stabilitu a dynamiku každého stavu, čo umožňuje inžinierom presne „programovať“ správanie hmoty.

Výsledkom je technológia, ktorá sľubuje vznik počítačov s radikálne nižšou spotrebou energie a vyššou efektívnosťou pre úlohy umelej inteligencie. Tím už pracuje na integrácii týchto molekulárnych systémov priamo na štandardné kremíkové čipy, čo by mohlo urýchliť ich komerčné nasadenie.  

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ

Tento objav odstraňuje jednu z hlavných prekážok pre vznik skutočnej umelej inteligencie na hardvérovej úrovni: oddelenie pamäte a procesora (tzv. von Neumannovo hrdlo). Zariadenia, ktoré dokážu adaptovať svoju funkciu na molekulárnej úrovni, otvárajú dvere k extrémne kompaktným a energeticky úsporným počítačom. Tieto systémy budú fungovať na princípoch blízkych ľudskému mozgu, čím prekonajú fyzikálne a energetické limity súčasnej kremíkovej éry pre AI aplikácie.

^{Zdroj: sciencedaily.com foto: depositphotos.com}