חוקרים ב-EPFL פיתחו ממריסטור ננו-זרם חדשני, מכשיר המחקה את עיבוד המידע היעיל של המוח המבוסס על יונים. שלא כמו ממריסטורים מסורתיים המשתמשים באלקטרונים, מכשיר זה משתמש במגוון של יונים, כגון אשלגן, נתרן וסידן, כדי להחליף מצבי זיכרון ולאחסן נתונים. הגישה החדשנית עשויה להוביל לפתרונות זיכרון בעלי ביצועים מדרגיים יותר ואפילו למעגלים נוזליים לחלוטין עבור יישומים כמו ממשקי מוח-מחשב. קרדיט: twoday.co.il
ממריסטור ננו-fluidic חדש מחקה את העיבוד של המוח באמצעות יונים, משפר את היעילות והמדרגיות במחשוב.
זיכרון, או היכולת לאחסן מידע בצורה נגישה, היא פעולה חיונית הן במחשבים והן במוח האנושי. עם זאת, ישנם הבדלים מרכזיים באופן שבו הם מעבדים מידע. בעוד שהמוח האנושי מבצע חישובים ישירות על נתונים מאוחסנים, מחשבים חייבים להעביר נתונים בין יחידת זיכרון ליחידת עיבוד מרכזית (CPU). ההפרדה הלא יעילה הזו, המכונה צוואר הבקבוק פון נוימן, תורמת לעליית עלויות האנרגיה של מחשבים.
פיתוח התקני Memristive Nanofluidic
במשך למעלה מ-50 שנה, חוקרים עובדים על הרעיון של ממריסטור (נגד זיכרון), רכיב אלקטרוני שיכול גם לחשב וגם לאחסן נתונים, בדומה ל- סינפסה. אלכסנדרה רדנוביץ' מהמעבדה לביולוגיה ננומטרית (LBEN) בבית הספר להנדסה של EPFL שמה את עיניה על משהו שאפתני עוד יותר: התקן ננו-נוזל פונקציונלי המסתמך על יונים, ולא על אלקטרונים ועל עמיתיהם הטעונים הפוך (חורים). גישה זו תחקה את דרכו של המוח האנושי לעבד מידע מקרוב יותר ולכן היא חסכונית יותר באנרגיה.
Radenovic אומר, "כבר נעשה שימוש בממריסטורים לבניית רשתות עצביות אלקטרוניות, אבל המטרה שלנו היא לבנות רשת עצבית ננו-פלואידית המנצלת את השינויים בריכוזי היונים, בדומה לאורגניזמים חיים".
סינפסות ננו-פלואידיות מלאכותיות יכולות לאחסן זיכרון חישובי. קרדיט: ©EPFL 2024 / Andras Kis
"יצרנו מכשיר ננו-זרם חדש עבור יישומי זיכרון, שניתן להרחבה באופן משמעותי והרבה יותר ביצועים מניסיונות קודמים", אומר חוקר הפוסט-דוקטורט של LBEN Théo Emmerich. "זה איפשר לנו, בפעם הראשונה, לחבר שתי 'סינפסות מלאכותיות' כאלה, מה שסלל את הדרך לתכנון של חומרה נוזלית בהשראת המוח." המחקר פורסם לאחרונה ב טבע אלקטרוניקה.
ממריסטורים בפועל: מעבר ליונים
ממריסטורים יכולים לעבור בין שני מצבי מוליכות – מופעל וכיבוי – באמצעות מניפולציה של מתח מופעל. בעוד ממריסטורים אלקטרוניים מסתמכים על אלקטרונים וחורים לעיבוד מידע דיגיטלי, הממריסטור של LBEN יכול לנצל מגוון של יונים שונים. לצורך המחקר שלהם, החוקרים טבלו את המכשיר שלהם בתמיסת מי אלקטרוליט המכילה יוני אשלגן, אך ניתן היה להשתמש באחרים, כולל נתרן וסידן.
"אנחנו יכולים לכוונן את הזיכרון של המכשיר שלנו על ידי שינוי היונים שבהם אנו משתמשים, מה שמשפיע על האופן שבו הוא עובר מהפעלה לכבוי, או כמה זיכרון הוא מאחסן", מסביר אמריך.
חידושים בטכנולוגיית זיכרון
המכשיר יוצר על שבב במרכז למיקרוננוטכנולוגיה של EPFL על ידי יצירת ננופורה במרכז קרום סיליקון ניטריד. החוקרים הוסיפו שכבות פלדיום וגרפיט כדי ליצור ננו-תעלות ליונים. כאשר זרם זורם דרך השבב, היונים מחלחלים דרך התעלות ומתכנסים אל הנקבובית, שם הלחץ שלהם יוצר שלפוחית בין פני השבב לבין הגרפיט. ככל ששכבת הגרפיט נאלצת למעלה על ידי השלפוחית, המכשיר הופך מוליך יותר, ומעביר את מצב הזיכרון שלו ל'פועל'. מכיוון ששכבת הגרפיט נשארת מורמת, גם ללא זרם, המכשיר 'זוכר' את מצבו הקודם. מתח שלילי מחזיר את השכבות למגע, ומאפס את הזיכרון למצב 'כבוי'.
"תעלות יונים במוח עוברות שינויים מבניים בתוך סינפסה, אז זה גם מחקה ביולוגיה", אומר סטודנט לדוקטורט LBEN, יונפיי טנג, שעבד על ייצור המכשירים – שכונו ערוצים אסימטריים מאוד (HACs) בהתייחס לצורת זרימת היונים לכיוון הנקבוביות המרכזיות.
סטודנט לדוקטורט ב-LBEN, נתן רונסריי, מוסיף שההתבוננות של הצוות בפעולת הזיכרון של ה-HAC בזמן אמת היא גם הישג חדשני בתחום. "מכיוון שהתמודדנו עם תופעת זיכרון חדשה לגמרי, בנינו מיקרוסקופ כדי לצפות בה בפעולה".
כיוונים ויישומים עתידיים
על ידי שיתוף פעולה עם Riccardo Chiesa ואדוארדו לופריורה מהמעבדה לאלקטרוניקה ומבנים בקנה מידה ננומטרי, בראשות Andras Kis, החוקרים חיברו בהצלחה שני HACs עם אלקטרודה כדי ליצור מעגל לוגי המבוסס על זרימת יונים. הישג זה מייצג את ההדגמה הראשונה של פעולות לוגיקה דיגיטלית המבוססת על מכשירים יוניים דמויי סינפסה. אבל החוקרים לא עוצרים שם: המטרה הבאה שלהם היא לחבר רשת של HACs עם תעלות מים כדי ליצור מעגלים נוזליים מלאים. בנוסף לאספקת מנגנון קירור מובנה, השימוש במים יקל על פיתוח מכשירים תואמים ביו עם יישומים פוטנציאליים בממשקי מוח-מחשב או נוירו-רפואה.
