И академические, и промышленные лаборатории работают над созданием компьютеров, которые больше похожи на человеческий мозг. Вместо того, чтобы работать как обычная цифровая система, эти новые устройства потенциально могли бы функционировать больше как сеть нейронов.
«Компьютеры очень впечатляют во многих отношениях, но они не равны уму», — сказал Марк Херсам, заведующий кафедрой повышения квалификации Бетт и Нейсон Харрис Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета. «Нейроны могут выполнять очень сложные вычисления с очень низким энергопотреблением по сравнению с цифровым компьютером».Команда исследователей с Северо-Запада, включая Херсама, сделала новый шаг вперед в области электроники, которая может приблизить вычисления, подобные мозгу, к реальности. Команда разработчиков разрабатывает резисторы памяти, или «мемристоры», которые представляют собой резисторы в цепи, которые «запоминают», сколько тока прошло через них.
Исследование описано в выпуске журнала Nature Nanotechnology от 6 апреля. Тобин Маркс, профессор каталитической химии Владимира Ипатьева, и Линкольн Лаухон, профессор материаловедения и инженерии, также являются авторами статьи.
Винод Сангван, научный сотрудник, советовавший Херсамом, Марксом и Лаухоном, был первым автором. Остальные соавторы — Дип Джаривала, Ин Су Ким и Кан-Шенг Чен — являются членами исследовательских групп Hersam, Marks и / или Lauhon.«Мемристоры можно использовать в качестве элемента памяти в интегральной схеме или компьютере», — сказал Херсам. «В отличие от других воспоминаний, существующих сегодня в современной электронике, мемристоры стабильны и запоминают свое состояние, даже если вы потеряете питание».
Современные компьютеры используют оперативную память (RAM), которая перемещается очень быстро во время работы пользователя, но не сохраняет несохраненные данные при отключении питания. С другой стороны, флеш-накопители хранят информацию, когда на них нет питания, но они работают намного медленнее. Мемристоры могут обеспечить память, которая является лучшим из обоих миров: быстрой и надежной. Но есть проблема: мемристоры — это двухконтактные электронные устройства, которые могут управлять только одним каналом напряжения.
Херсам хотел превратить его в трехконтактное устройство, позволяющее использовать его в более сложных электронных схемах и системах.Херсам и его команда решили эту задачу, используя однослойный дисульфид молибдена (MoS2), атомарно тонкий, двумерный полупроводник из наноматериалов.
Подобно тому, как волокна расположены в древесине, атомы располагаются в определенном направлении, называемом «зернами», внутри материала. Лист MoS2, который использовал Hersam, имеет четко очерченную границу зерен, которая является границей раздела двух разных зерен.«Поскольку атомы имеют разную ориентацию, на этой границе возникают неудовлетворенные химические связи», — пояснил Херсам. «Эти границы зерен влияют на ток, поэтому они могут служить средством настройки сопротивления».
При приложении большого электрического поля граница зерен буквально перемещается, вызывая изменение сопротивления. Используя MoS2 с этим дефектом границ зерен вместо типичной мемристорной структуры металл-оксид-металл, команда представила новое трехконтактное мемристивное устройство, которое можно широко настраивать с помощью электрода затвора.
«С мемристором, который может быть настроен с помощью третьего электрода, у нас есть возможность реализовать функцию, которую вы раньше не могли достичь», — сказал Херсам. «Трехконтактный мемристор был предложен как средство реализации мозговых вычислений. Сейчас мы активно исследуем эту возможность в лаборатории».