El dispositivo se puede reconfigurar varias veces simplemente cambiando el voltaje trabajador – ScienceDaily

Al recordar la plasticidad de las conexiones en el cerebro humano, el dispositivo se puede reconfigurar sobre la marcha para diferentes tareas computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Además, así como las células nerviosas pueden almacenar recuerdos, el mismo dispositivo también puede almacenar información para su futura recuperación y procesamiento.

«El cerebro tiene la asombrosa capacidad de cambiar su cableado haciendo y rompiendo conexiones entre las células nerviosas. Lograr algo comparable en un sistema físico ha sido un gran desafío», dijo el Dr. R. Stanley Williams, profesor del Departamento de Ciencias Eléctricas e Informáticas. Ingeniería de Texas A&M University. «Ahora hemos creado un dispositivo molecular con una extraordinaria reconfigurabilidad, 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, filial científica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Gaithersburg, y profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Nacional de Singapur agregó que su dispositivo molecular podría ayudar en el futuro a diseñar chips de procesamiento de próxima generación con mayor potencia y velocidad de computación, pero consumiendo energía significativamente menor.

Ya sea la computadora portátil familiar o una supercomputadora sofisticada, 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, en las que la memoria, que contiene datos y programas, está físicamente separada del procesador. Como resultado, las computadoras necesitan una cantidad significativa de tiempo para transferir información entre los dos sistemas, lo que provoca el cuello de botella. Además, a pesar de velocidades de procesador extremadamente altas, estas unidades pueden permanecer inactivas durante períodos prolongados durante los períodos de intercambio de información.

Como alternativa a las piezas electrónicas convencionales que se utilizan para diseñar unidades de memoria y procesadores, los dispositivos llamados memristores ofrecen una forma de evitar 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 restrictivos. Por lo tanto, ha habido una búsqueda en curso de moléculas orgánicas prometedoras que puedan realizar una función memristiva comparable, dijo Williams.

El Dr. Sreebrata Goswami, profesor de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia, diseñó el material utilizado en este trabajo. El compuesto tiene un átomo de metal central (hierro) unido a tres moléculas orgánicas de fenil azo piridina llamadas ligandos.

«Esto actúa como una esponja electrónica que puede absorber hasta seis electrones de manera reversible, lo que resulta en siete estados redox diferentes», dijo Sreebrata. «La interconexión entre estos estados es la clave detrás de la reconfigurabilidad mostrada en este trabajo».

El Dr. Sreetosh Goswami, investigador de la Universidad Nacional de Singapur, ideó este proyecto creando un pequeño circuito eléctrico que consiste en una capa de 40 nanómetros de película molecular intercalada entre una capa de oro en la parte superior y un nanodisco infundido con óxido de oro. indio y estaño en la parte inferior.

Al aplicar un voltaje negativo al dispositivo, Sreetosh fue testigo de un perfil de voltaje a corriente que nadie había visto antes. A diferencia de los memristores de óxido metálico que pueden cambiar de metal a aislante con un solo voltaje fijo, los dispositivos moleculares orgánicos pueden alternar entre aislante y conductor a diferentes voltajes secuenciales discretos.

«Entonces, si piensa en el dispositivo como un interruptor de encendido y apagado, mientras reducíamos el voltaje, el dispositivo primero se enciende y apaga, luego se apaga y se enciende, luego se enciende y se apaga y luego se enciende de nuevo. nos volaron de nuestro asiento ”, dijo Venkatesan. «Tuvimos que convencernos de que lo que estábamos viendo era real».

Sreetosh y Sreebrata estudiaron los mecanismos moleculares subyacentes al curioso comportamiento de conmutación utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia Raman. En particular, buscaron firmas espectrales en el movimiento vibratorio de la molécula orgánica que pudieran explicar las múltiples transiciones. Su investigación reveló que el barrido del voltaje negativo provocó que los ligandos de la molécula se sometieran a una serie de eventos de reducción o adquisición de electrones que hicieron que la molécula cambiara entre los estados desactivado y activado.

A continuación, para describir matemáticamente el perfil de voltaje-corriente extremadamente complejo del dispositivo molecular, Williams se desvió del enfoque convencional de ecuaciones básicas basadas en la física. En cambio, describió el comportamiento de las moléculas usando un algoritmo de árbol de decisión con instrucciones «si-entonces-si no», una línea común de código en varios programas de computadora, particularmente juegos digitales.

«Los videojuegos tienen una estructura en la que tienes un personaje haciendo algo, y luego algo sucede como resultado. Entonces, si lo escribes en un algoritmo de computadora, son declaraciones si-entonces-si-no», dijo Williams. «Aquí, la molécula se enciende y apaga como resultado del voltaje aplicado, y fue entonces cuando tuve tiempo de usar árboles de decisión para describir estos dispositivos, y funcionó muy bien».

Pero los investigadores dieron un paso más al aprovechar estos dispositivos moleculares para ejecutar programas para diversas tareas computacionales del mundo real. Sreetosh demostró experimentalmente que sus dispositivos podían realizar cálculos bastante complejos en un solo paso de tiempo y luego reprogramarse para realizar otra tarea en el siguiente instante.

«Fue bastante sorprendente; nuestro dispositivo estaba haciendo algo similar a lo que hace el cerebro, pero de una manera muy diferente», dijo Sreetosh. «Cuando está aprendiendo algo nuevo o cuando está decidiendo, el cerebro puede reconfigurar y cambiar el cableado físico. De manera similar, podemos reprogramar o reconfigurar lógicamente 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 sus diferentes árboles de decisión. Por lo tanto, dijo que su tecnología podría usarse por primera vez en dispositivos portátiles, como teléfonos celulares y sensores, y otras aplicaciones donde la energía es limitada.

Otros contribuyentes a la investigación incluyen al Dr. Abhijeet Patra y al Dr. Ariando de la Universidad Nacional de Singapur; El Dr. Rajib Pramanick y el Dr. Santi Prasad Rath de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia; El Dr. Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Colorado; y el Dr. Damien Thompson de la Universidad de Limerick, Irlanda.

Venkatesan dijo que esta investigación es indicativa de los hallazgos futuros de este equipo colaborativo, que incluirá el Centro de Nanociencia e Ingeniería del Instituto Indio de Ciencia y la División de Microsistemas y Nanotecnología del NIST.

Esta investigación multidisciplinaria y multinacional fue apoyada por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur en el marco de programas de investigación competitivos; Consejo de Investigaciones Científicas y de Ingeniería, India; el programa President’s Excellence Fund X-Grants en Texas A&M; Ciencia, Tecnología e Investigación, Singapur, como parte de su Beca de Investigación Individual de Ingeniería y Fabricación Avanzada; fondos iniciales en CQRT University of Oklahoma; y la Science Foundation, Irlanda.