Microprocessors in smartphones, computers en datacenters verwerken informatie door elektronen te manipuleren via vaste halfgeleiders, maar onze hersenen hebben een ander systeem. Ze vertrouwen op de manipulatie van ionen in vloeistof om informatie te verwerken.

Geïnspireerd door de hersenen, hebben onderzoekers lang gezocht naar de ontwikkeling van "ionica" in een waterige oplossing. Terwijl ionen in water langzamer bewegen dan elektronen in halfgeleiders, denken wetenschappers dat de diversiteit aan ionensoorten met verschillende fysische en chemische eigenschappen kan worden benut voor rijkere en meer diverse informatieverwerking.

Ionic computing staat echter nog in de kinderschoenen. Tot op heden hebben laboratoria alleen individuele ionische apparaten ontwikkeld, zoals ionische diodes en transistors, maar tot nu toe heeft niemand veel van dergelijke apparaten samengevoegd tot een complexer circuit voor computergebruik.

Een team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met DNA Script, een biotech-startup, heeft een ionisch circuit ontwikkeld dat honderden ionische transistors omvat en een kernproces van neurale netcomputing uitgevoerd. .

Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Materials .

De onderzoekers begonnen met het bouwen van een nieuw type ionische transistor op basis van een techniek die ze onlangs hebben ontwikkeld. De transistor bestaat uit een waterige oplossing van chinonmoleculen, verbonden met twee concentrische ringelektroden met een centrale schijfelektrode, zoals een roos. De twee ringelektroden verlagen elektrochemisch de lokale pH rond de centrale schijf en stemmen deze af door waterstofionen te produceren en op te vangen. Een spanning die op de middelste schijf wordt aangelegd, veroorzaakt een elektrochemische reactie om een ​​ionische stroom van de schijf in het water te genereren. De reactiesnelheid kan omhoog of omlaag worden versneld - de ionenstroom verhogen of verlagen - door de lokale pH af te stemmen. Met andere woorden, de pH regelt (poort) de ionische stroom van de schijf in de waterige oplossing, waardoor een ionische tegenhanger van de elektronische transistor ontstaat.

Vervolgens hebben ze de pH-gestuurde ionische transistor zo ontworpen dat de schijfstroom een ​​rekenkundige vermenigvuldiging is van de schijfspanning en een "gewicht" -parameter die de lokale pH vertegenwoordigt die de transistor doorlaat. Ze organiseerden deze transistors in een 16 × 16-array om de analoge rekenkundige vermenigvuldiging van individuele transistors uit te breiden tot een analoge matrixvermenigvuldiging, waarbij de array van lokale pH-waarden dient als een gewichtsmatrix die wordt aangetroffen in neurale netwerken.

"Matrixvermenigvuldiging is de meest voorkomende berekening in neurale netwerken voor kunstmatige intelligentie", zegt Woo-Bin Jung, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en de eerste auteur van het artikel. "Ons ionische circuit voert de matrixvermenigvuldiging in water uit op een analoge manier die volledig is gebaseerd op elektrochemische machines."

"Microprocessors manipuleren elektronen op een digitale manier om matrixvermenigvuldiging uit te voeren", zegt Donhee Ham, de Gordon McKay hoogleraar elektrotechniek en toegepaste natuurkunde aan SEAS en de senior auteur van het artikel. "Hoewel ons ionische circuit niet zo snel of nauwkeurig kan zijn als de digitale microprocessors, is de elektrochemische matrixvermenigvuldiging in water op zichzelf al charmant en heeft het de potentie om energiezuinig te zijn."

Nu probeert het team de chemische complexiteit van het systeem te verrijken.

"Tot nu toe hebben we slechts 3 tot 4 ionische soorten gebruikt, zoals waterstof- en chinon-ionen, om het gating en ionentransport in de waterige ionische transistor mogelijk te maken," zei Jung. "Het zal heel interessant zijn om meer diverse ionensoorten te gebruiken en om te zien hoe we ze kunnen exploiteren om de inhoud van de te verwerken informatie rijk te maken."

Het onderzoek was co-auteur van Han Sae Jung, Jun Wang, Henry Hinton, Maxime Fournier, Adrian Horgan, Xavier Godron en Robert Nicol. + Verder verkennen

Chemici stellen voor om polymere ionische vloeistoffen te gebruiken in supercondensatoren