Появился пластичный, как мозг, молекулярный компьютер

Международная команда ученых описала новое молекулярное устройство с особенными качествами. Его можно мгновенно перенастроить на новую вычислительную задачу, меняя напряжение. Кроме того, оно может сохранять информацию для будущего поиска и обработки данных. Все это напоминает пластичность мозга.

Исследование опубликовано в Nature, коротко о нем рассказывает Phys.org.

«У мозга есть невероятная способность строить и разрушать связи между клетками. Создать нечто подобное в искусственной системе чрезвычайно сложно, — говорит доктор Р. Стэнли Вильямс, профессор факультета электрической и компьютерной инженерии в Техасском университете A&M. — Тем не менее мы создали очень пластичное устройство. Это возможно не потому, что меняются связи, как в мозге, а потому, что перепрограммируется его логика».

Доктор Т. Венкатесан, директор Центра квантовых исследований и технологий (CQRT) в Университете Оклахомы, научного филиала Национального института стандартов и технологий в Гейтерсбурге и профессор электротехники и вычислительной техники в Национальном университете Сингапура, добавил, что их устройство может помочь создать процессоры следующего поколения — более мощные, быстрые и затрачивающие меньше энергии.

И простой ноутбук, и суперкомпьютер сталкиваются с «бутылочным горлышком» фон Неймана. Согласно этой концепции, обработка информации задерживается на некоторое время. Почему? Дело в архитектуре компьютеров. Процессор и память разделены физически, поэтому компьютеры простаивают, пока сигнал переходит между системами. Отсюда берется «бутылочное горлышко». Даже если процессор очень быстрый, компьютер будет работать вхолостую, пока идет обмен данными.

Вместо обычных деталей для процессоров и хранилищ памяти можно использовать мемристоры. Они обходят ограничения «бутылочного горлышка» фон Неймана. Мемристоры из диоксида ниобия и диоксида ванадия при определенной температуре могут переходить из изолятора в проводник. Благодаря такому свойству мемристоры могут и хранить, и обрабатывать данные.

Несмотря на все преимущества мемристоров, они состоят из редкоземельных металлов и работают лишь при определенных температурах. Поэтому ведется постоянный поиск органических молекул, которые могут исполнять роль мемристоров.

Доктор Cрибрата Госвами, профессор Индийской ассоциации развития науки, создал для этого исследования соединение — в его центре находится атом железа, связанный с тремя органическими лигандами.

«Соединение работает как губка для электронов, которая может обратимо связать шесть электронов, то есть возможны семь степеней окисления. Связь между этими состояниями — ключ к пластичности в данной работе», — говорит Шрибрата.

Доктор Сритош Госвами, научный сотрудник Национального университета Сингапура, подал отрицательное напряжение на устройство и увидел невероятное. Если мемристоры переходят из состояния проводника в состояние изолятора лишь при конкретном напряжении, то органические молекулы переключаются туда и обратно при нескольких последовательных напряжениях.

«Когда мы применили отрицательное напряжение, устройство сначала переключалось с "включено" на "выключено", затем "выключено", затем "включено" и затем снова "включено". Скажу, что нас просто сорвало с места, — сказал Венкатесан. — Нам нужно было убедиться в том, что это реально».

С помощью рамановской спектроскопии ученые исследовали молекулярный механизм, который обеспечил необычные переключения. Они выяснили, что отрицательное напряжение восстанавливало или окисляло лиганды, из-за этого устройство включалось и выключалось.

Сритош Госвами в эксперименте продемонстрировал, что устройство может справиться с достаточно сложной задачей и переключиться в следующий момент на новую.

«Вышло необычно. Наше устройство делает примерно то же, что и мозг, только другим способом. Когда учишься чему-то или принимаешь решение, мозг перестраивается, меняет связи. Так и мы можем подать другое напряжение на устройство, чтобы перестроить его логику», — сказал он.

Венкатесан предположил, что сначала технологию используют в портативных устройствах вроде мобильных телефонов, где мощность ограниченна.

Искусственную клетку мозга научили запоминать информацию — пока только в рамках компьютерной модели

Создан самый маленький в мире накопитель информации