Συσκευές βασισμένες στον εγκέφαλο με οξείδιο του γραφενίου.





By Letizia Diamante,


 20 January 2022

Οι εξαιρετικά μικρές συσκευές παρουσιάζουν νανοσυναπτικές αποκρίσεις με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα συνεργατών του Graphene Flagship, στην οποία συμμετέχουν ερευνητές του CNRS (Γαλλία), του Πανεπιστημίου του Cambridge (Ηνωμένο Βασίλειο) και του Πανεπιστημίου Technion (Ισραήλ), σε συνεργασία με την ομάδα του καθηγητή Mario Lanza στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας King Abdullah  (Σαουδική Αραβία), κατασκεύασε εξαιρετικά μικρές συσκευές από οξείδιο του γραφενίου (GO), οι οποίες μιμούνται τη σύνδεση μεταξύ δύο νευρώνων. Οι συσκευές αυτές είναι γνωστές ως memristors, ένα αρκτικόλεξο της λέξης memory resistor (αντίσταση μνήμης).

Οι δυνατότητες της νευρομορφικής πληροφορικής

Με την πάροδο των ετών, τα τρανζίστορ έχουν γίνει όλο και μικρότερα, αλλά τα κυκλώματα των υπολογιστών δεν έχουν αλλάξει πολύ. Η νευρομορφική υπολογιστική μπορεί να μεταμορφώσει ριζικά την αρχιτεκτονική των υπολογιστών μας και να μας επιτρέψει να εκτελούμε ταχύτερες υπολογιστικές λειτουργίες. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να επιταχύνει την απόδοση βίντεο, τη ζωντανή επεξεργασία πληροφοριών, την ανάλυση μεγάλων δεδομένων και τα συστήματα κρυπτογράφησης για την ψηφιακή ασφάλεια.

Ένα άλλο ζήτημα με τους παραδοσιακούς υπολογιστές μας είναι η κατανάλωση ενέργειας. Οι υπολογιστές πάσχουν από τη συμφόρηση Von-Neumann: η διαδικασία μεταφοράς δεδομένων μεταξύ της μνήμης και της λογικής μονάδας είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα. Συγκριτικά, ένα νευρομορφικό υπολογιστικό σύστημα υπολογίζει και αποθηκεύει πληροφορίες στο ίδιο μέρος, οπότε η ανάγκη για μεταφορά δεδομένων εξαλείφεται. Αυτός ο τύπος πληροφορικής προσπαθεί να μιμηθεί αυτό που συμβαίνει στον εγκέφαλο και βασίζεται σε ηλεκτρονικές συνάψεις. Στον εγκέφαλο, οι βιολογικές συνάψεις μεταδίδουν ηλεκτροχημικά σήματα, που παράγονται από έναν ή περισσότερους νευρώνες. Σε ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο, οι ηλεκτρονικές συνάψεις είναι τα στοιχεία που υπολογίζουν τα ηλεκτρικά σήματα και μπορούν επίσης να διατηρήσουν τη μνήμη μετά την απενεργοποίηση της τροφοδοσίας (μη πτητική μνήμη).

Βρισκόμαστε στα πρώτα στάδια της κατασκευής νευρομορφικών τσιπ. Τα σύγχρονα νευρομορφικά τσιπ χρησιμοποιούν έξι τρανζίστορ για την υλοποίηση μιας ηλεκτρονικής σύναψης. Ωστόσο, τα memristors είναι πολύ πιο αποδοτικά τόσο από άποψη ισχύος όσο και από άποψη χώρου: ένα memristor μπορεί να υλοποιήσει μία ηλεκτρονική σύναψη.

Τα σημερινά βιομηχανικά memristors έχουν δύο καταστάσεις αντίστασης, που μιμούνται το 1 και το 0 του δυαδικού κώδικα, αλλά δεν παρουσιάζουν ηλεκτροσυναπτική πλαστικότητα - διαμόρφωση της αγωγιμότητας ανάλογα με τη συχνότητα των εφαρμοζόμενων ηλεκτρικών παλμών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ερευνητές προσπαθούν να δοκιμάσουν καινοτόμα υλικά.

Η νέα συσκευή που επιτυγχάνεται με το οξείδιο του γραφενίου

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές κατέδειξαν νανοσυναπτικές αποκρίσεις σε ένα memristor από οξείδιο του γραφενίου που είχε τοποθετηθεί ανάμεσα σε δύο μέταλλα. Το ένα από τα μέταλλα ήταν η πλατινένια κορυφή ενός αγώγιμου μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (CAFM), το οποίο μετρά τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ της κορυφής και της επίστρωσης του οξειδίου του γραφενίου.


«Το οξείδιο του γραφενίου έμοιαζε με προφανή επιλογή για αυτή την εφαρμογή- οι εγγενείς μονωτικές του ιδιότητες, το μεγάλο πλευρικό του μέγεθος και η ευελιξία του ήταν βασικά πλεονεκτήματα έναντι άλλων στρωματοποιημένων υλικών με επεξεργασία διαλύματος. Αυτή η μελέτη αντιπροσωπεύει μια εφαρμογή υλικών με βάση το γραφένιο που έχει μεγάλες δυνατότητες για την ανάπτυξη μελλοντικών τεχνολογιών», λέει ο Stephen Hodge, ο οποίος διεξήγαγε αυτή την εργασία όταν ήταν στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, που αποτελεί συνεργάτη του Graphene Flagship, και σήμερα είναι επικεφαλής τεχνολογίας της Versarien plc  που επίσης συνεργάζεται με το Graphene Flagship .

Μικρό μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μη πτητική αγωγιμότητα

Οι περισσότερες μελέτες χρησιμοποίησαν memristors μεγαλύτερα από 100 μm2, τα οποία δεν ανταποκρίνονται στην πυκνότητα ενσωμάτωσης που απαιτεί η βιομηχανία πληροφορικής. Σε αυτή τη μελέτη, αντίθετα, η επιφάνεια επαφής μεταξύ του οξειδίου του γραφενίου και των δύο ηλεκτροδίων ήταν ~50 nm2, πάνω από τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερη από προηγούμενα πειράματα.

Δεδομένου ότι οι ερευνητές ήθελαν να αναπαράγουν τους ηλεκτροχημικούς παλμούς των νευρώνων με τον τεχνικό τους εξοπλισμό, τροποποίησαν το CAFM για να εφαρμόζουν σύντομους παλμούς τάσης και μέτρησαν το ρεύμα που έρεε στο άλλο μέταλλο μέσω της επίστρωσης οξειδίου του γραφενίου. Οι συσκευές που κατασκευάστηκαν με λευκόχρυσο, οξείδιο του γραφενίου και χρυσό μπορούσαν να μεταδώσουν την ηλεκτρική ώση από το άκρο της πλατίνας στο στρώμα χρυσού, μέσω της σύναψης οξειδίου του γραφενίου.

Το ρεύμα αυξανόταν τόσο με το πλάτος όσο και με τον αριθμό των παλμών: μια απόκριση παρόμοια με εκείνη που παρατηρείται στις βιολογικές διεγερτικές συνάψεις μεταξύ δύο νευρώνων. Η συσκευή καταναλώνει ~3 μW, από τις χαμηλότερες καταναλώσεις ισχύος μέχρι σήμερα. Η ομάδα επέδειξε επίσης μη πτητική αγωγιμότητα: ένα βήμα προς τη μακροπρόθεσμη πλαστικότητα, όπου οι αλλαγές στην αντίσταση παραμένουν σταθερές για λεπτά ή ημέρες.

«Η εργασία αυτή αποτελεί ένα μεγάλο βήμα προς την υλοποίηση συνάψεων υπερ-κλίμακας για εφαρμογές τεχνητών νευρωνικών δικτύων. Οι συγγραφείς κατάφεραν επίσης να βελτιώσουν τις υπολογιστικές επιδόσεις και τις λειτουργικότητες των νανοσυναπτών με μειωμένη κατανάλωση ενέργειας - μια θεμελιώδης πτυχή, ιδιαίτερα σημαντική για φορητές συσκευές», λέει ο Gianluca Fiori, αναπληρωτής επικεφαλής του πακέτου εργασίας για τις ηλεκτρονικές συσκευές του Graphene Flagship.

Ο Andrea Ferrari, επιστημονικός και τεχνολογικός υπεύθυνος του Graphene Flagship, προσθέτει: «Το γραφένιο και τα συναφή υλικά έχουν μεγάλες δυνατότητες για τη νευρομορφική πληροφορική. Η εργασία αυτή είναι ένα σημαντικό βήμα για την ανάδειξη των επιδόσεών τους. Αποδεικνύει επίσης τον τρόπο με τον οποίο το Graphene Flagship είναι σε θέση να προωθήσει συνεργασίες τόσο εντός όσο και εκτός Ευρώπης, οδηγώντας σε σημαντική πρόοδο σε αυτόν τον ολοένα αυξανόμενο επιστημονικό και τεχνολογικό τομέα». 

από oaskhths.blogspot.com

Δημοσίευση σχολίου

0 Σχόλια