Ons brein werkt niet zoals een typisch computergeheugen dat alleen enen en nullen opslaat:dankzij een veel grotere variatie in geheugentoestanden, het kan sneller berekenen en minder energie verbruiken. Wetenschappers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente (Nederland) hebben nu een ferro-elektrisch materiaal ontwikkeld met een geheugenfunctie die lijkt op synapsen en neuronen in de hersenen, resulterend in een multistate geheugen. Ze publiceren hun resultaten in de Geavanceerde functionele materialen .

Het materiaal dat de basisbouwsteen zou kunnen zijn voor 'brain-inspired computing' is lood-zirkonium-titanaat (PZT):een sandwich van materialen met verschillende aantrekkelijke eigenschappen. Een daarvan is dat het ferro-elektrisch is:je kunt het in een gewenste staat schakelen, deze toestand blijft stabiel nadat het elektrische veld is verdwenen. Dit wordt polarisatie genoemd:het leidt tot een snelle geheugenfunctie die niet vluchtig is. Gecombineerd met processorchips, er zou een computer kunnen worden ontworpen die veel sneller opstart, bijvoorbeeld. De UT-wetenschappers hebben nu een dun laagje zinkoxide op de PZT aangebracht, 25 nanometer dikte. Ze ontdekten dat het overschakelen van de ene toestand naar de andere niet alleen gebeurt van 'nul' naar 'één' vice versa. Het is mogelijk om kleinere gebieden in het kristal te controleren:worden ze gepolariseerd ('flip') of niet?

Multi-status

Door variabele schrijftijden in die kleinere gebieden te gebruiken, het resultaat is dat veel toestanden ergens tussen nul en één kunnen worden opgeslagen. Dit lijkt op de manier waarop synapsen en neuronen signalen 'wegen' in onze hersenen. Multistate herinneringen, gekoppeld aan transistoren, zou de snelheid van patroonherkenning drastisch kunnen verbeteren, bijvoorbeeld:onze hersenen voeren dit soort taken uit en verbruiken slechts een fractie van de energie die een computersysteem nodig heeft. Kijkend naar de grafieken, de schrijftijden lijken vrij lang in vergelijking met de huidige processorsnelheden, maar het is mogelijk om veel herinneringen tegelijk te creëren. De functie van de hersenen is al nagebootst in software zoals neurale netwerken, maar in dat geval is conventionele digitale hardware nog steeds een beperking. Het nieuwe materiaal is een eerste stap naar elektronische hardware met een hersenachtig geheugen. Oplossingen vinden voor het combineren van PZT met halfgeleiders, of zelfs het ontwikkelen van nieuwe soorten halfgeleiders hiervoor, is een van de volgende stappen.

Dit onderzoek is gedaan binnen de groep Inorganic Materials Science, van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT. Binnen deze groep is er zijn ook andere aantrekkelijke eigenschappen van PZT gevonden, zoals piëzo-elektrisch gedrag:het materiaal kan uitzetten met behulp van een elektrische spanning, door erop te drukken kan ook een spanning worden gegenereerd, beurtelings.