El nuevo dispositivo de computación molecular tiene un potencial de reconfiguración sin precedentes que recuerda al color del cerebro

En un descubrimiento publicado en la revista naturaleza temperamental, Un equipo internacional de investigadores ha descrito un nuevo dispositivo molecular con un ingenio computacional excepcional.

Con reminiscencias de la flexibilidad de comunicación del cerebro humano, el dispositivo se puede reconfigurar en vuelo para realizar diversas tareas computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Además, así como las neuronas pueden almacenar recuerdos, el propio dispositivo también puede contener información para su futura recuperación y procesamiento.

El cerebro tiene una capacidad asombrosa para cambiar los cables que lo rodean creando y cortando conexiones entre neuronas. Dr. R. dijo: Stanley Williams, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad A&M de Texas, dijo que lograr algo similar en un sistema físico ha sido muy difícil. «Ahora hemos creado un dispositivo molecular que tiene el potencial de una remodelación dramática, que se logra no cambiando las conexiones físicas como en el cerebro, sino reprogramando su lógica».

Dr. T. Venkatesan, director del Centro de Investigación y Tecnología Cuántica (CQRT) de la Universidad de Oklahoma, miembro científico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Gaithersburg, y profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Nacional de Singapur, agregó que sus dispositivos moleculares pueden ayudar en el futuro a diseñar chips de procesamiento de próxima generación con potencia y velocidad computacionales mejoradas, pero que consumen mucha menos energía.

Ya sea una computadora portátil familiar o una supercomputadora de alta gama, las tecnologías digitales se enfrentan a un enemigo común, el cuello de botella de von Neumann. Este retraso en el procesamiento computacional es una consecuencia de las arquitecturas informáticas actuales, donde la memoria, que contiene datos y programas, está físicamente separada del procesador. Como resultado, las computadoras pasan mucho tiempo transmitiendo información entre los dos sistemas, lo que causa estrangulamiento. Además, a pesar de velocidades de procesador muy altas, estas unidades pueden estar inactivas durante largos períodos de tiempo durante los períodos de intercambio de información.

Como alternativa a las piezas electrónicas tradicionales que se utilizan para diseñar módulos de memoria y procesadores, los dispositivos llamados memristores proporcionan una forma de sortear el cuello de botella de von Neumann. Los memristores, como los de dióxido de niobio y dióxido de vanadio, pasan de ser un aislante a un conductor a una temperatura determinada. Esta propiedad otorga a estos tipos de memristores la capacidad de realizar cálculos y almacenar datos.

Sin embargo, a pesar de sus muchas ventajas, estos memristores de óxido metálico están hechos de elementos de tierras raras y solo pueden funcionar en regímenes de temperatura restringidos. Por lo tanto, ha habido una búsqueda en curso de moléculas orgánicas prometedoras que puedan realizar una función memristiva similar, dijo Williams.

El Dr. Sriprata Goswami, profesor de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia, diseñó los materiales utilizados en este trabajo. El complejo contiene un mineral central maíz (Hierro) está vinculado a tres moléculas orgánicas de fenil azopiridina llamadas enlaces.

«Esto se comporta como una esponja electrónica que puede absorber reversiblemente hasta seis electrones, lo que da como resultado siete estados redox diferentes», dijo Sriprata. «La interrelación de estos estados es la clave detrás de la reconfiguración descrita en este trabajo».

El Dr. Sritush Goswami, investigador de la Universidad Nacional de Singapur, ideó el proyecto creando un microcircuito que consiste en una capa de 40 nanómetros de película molecular intercalada entre una capa de oro en la parte superior y un nanodisco pulido con oro y óxido de indio y estaño. En el fondo.

Cuando se aplicó un voltaje negativo al dispositivo, Sritosh vio un perfil de voltaje actual como nadie había visto antes. A diferencia de los memristores de óxido de metal que pueden cambiar de metal a aislante con un solo voltaje constante, los dispositivos moleculares orgánicos pueden alternar entre aislante y conductor con un voltaje en serie separado.

«Entonces, si piensa en el dispositivo como un interruptor de encendido y apagado, donde estábamos barriendo el voltaje más negativo, el dispositivo inicialmente pasó de encendido a apagado, luego de apagado a encendido, luego de encendido a apagado y de vuelta a encender», dijo Venkatesan. .: «Diré que nos volvimos a volar.» «Tuvimos que convencernos de que lo que estábamos viendo era real».

Sreetosh y Sreebrata han investigado los mecanismos moleculares que subyacen al extraño comportamiento de conmutación utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia Raman. En particular, buscaron firmas espectrales en el movimiento vibratorio de una molécula orgánica que pudieran explicar las múltiples transiciones. Sus investigaciones revelaron que los voltajes negativos de barrido obligaron a los enlaces de la molécula a sufrir una serie de eventos de reducción, o ganancia de electrones, que hicieron que la molécula pasara del estado fuera al estado.

Luego, para describir matemáticamente el perfil de voltaje-corriente altamente complejo de un dispositivo molecular, Williams se apartó del enfoque tradicional de las ecuaciones fundamentales basadas en la física. En su lugar, describa el comportamiento de las partículas usando un algoritmo de árbol de decisión con declaraciones «si-entonces-si no», una línea común de código en muchos programas de computadora, especialmente juegos digitales.

«Los videojuegos tienen una estructura en la que tienes un personaje que hace algo, y luego algo sucede como resultado. Entonces, si escribes eso en un algoritmo de computadora, es un si». Tuve un momento eureka usando árboles de decisión para describir estos dispositivos, y funcionó muy bien «.

Pero los investigadores han llegado al extremo de explotar estos dispositivos moleculares para ejecutar programas para diversas tareas computacionales del mundo real. Sreetosh ha demostrado experimentalmente que sus máquinas pueden realizar cálculos bastante complejos en un paso de tiempo y luego reprogramarse para realizar otra tarea en el momento siguiente.

«Fue muy inusual; nuestro aparato estaba haciendo algo como lo que hace el cerebro, pero de una manera completamente diferente», dijo Sritosh. «Cuando aprendes algo nuevo o cuando decides, el cerebro puede reconfigurar y cambiar los cables físicos alrededor eso. Asimismo, lógicamente podemos reprogramar o reconfigurar nuestros dispositivos dándoles un pulso de voltaje diferente al que han visto antes «.

Venkatesan señaló que se necesitarían miles de transistores para realizar las mismas funciones computacionales que uno de sus dispositivos moleculares con diferentes árboles de decisión. Por lo tanto, dijo que su tecnología puede usarse primero en dispositivos móviles, como teléfonos celulares y sensores, y otras aplicaciones donde la energía es limitada.

Referencia: «Árboles de decisión dentro de un memristor molecular» Por Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami, R. Stanley Williams, 1 de septiembre de 2021, Disponible aquí. naturaleza temperamental.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0

Otros contribuyentes a la investigación incluyen al Dr. Abhijit Batra y al Dr. Ariando de la Universidad Nacional de Singapur; Rajeb Bramanik y el Dr. Santi Prasad Rath de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia; Dr.. Martin Folten de Hewlett Packard Enterprise, Colorado; y el Dr. Damien Thompson de la Universidad de Limerick en Irlanda.

Venkatesan dijo que esta investigación es indicativa de futuros descubrimientos de este equipo colaborativo, que incluirá el Centro de Nanociencia e Ingeniería del Instituto Indio de Ciencia y el Departamento de Microsistemas y Nanotecnología del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

Esta investigación interdisciplinaria y multinacional fue apoyada por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur en el marco de sus Programas de Investigación Competitiva; Consejo de Investigación en Ciencia e Ingeniería, India; Programa de Subvenciones X del Fondo de Excelencia Presidencial de Texas A&M; Ciencia, Tecnología e Investigación, Singapur, en virtud de sus Subvenciones de Investigación Individual para Fabricación e Ingeniería Avanzadas; fondos iniciales en CQRT University of Oklahoma; y Science Foundation, Irlanda.