In 1959, de beroemde natuurkundige Richard Feynman, in zijn toespraak "Veel ruimte aan de onderkant, " sprak over een toekomst waarin kleine machines enorme prestaties zouden kunnen leveren. Zoals veel toekomstgerichte concepten, zijn wereld ter grootte van een molecuul en een atoom bleef jarenlang in het domein van de sciencefiction.

En dan, wetenschappers en andere creatieve denkers begonnen Feynmans nanotechnologische visies te realiseren.

In de geest van Feynmans inzicht, en als antwoord op de uitdagingen die hij opriep als een manier om wetenschappelijke en technische creativiteit te inspireren, elektro- en computeringenieurs van UC Santa Barbara hebben een ontwerp ontwikkeld voor een functioneel computerapparaat op nanoschaal. Het concept omvat een dichte, driedimensionale schakeling die werkt op een onconventioneel type logica die, theoretisch, worden verpakt in een blok dat aan geen enkele zijde groter is dan 50 nanometer.

"Er zijn nieuwe computerparadigma's nodig om de vraag naar snellere, kleinere en energiezuinigere apparaten, " zei Gina Adam, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Computerwetenschappen van UCSB en hoofdauteur van het artikel "Optimized stateful material implication logic for three dimensional datamanipulatie, " gepubliceerd in het tijdschrift Nano-onderzoek . "Op een gewone computer gegevensverwerking en geheugenopslag zijn gescheiden, wat de berekening vertraagt. Door gegevens rechtstreeks in een driedimensionale geheugenstructuur te verwerken, kunnen meer gegevens veel sneller worden opgeslagen en verwerkt."

Terwijl inspanningen om computerapparatuur te verkleinen al tientallen jaren aan de gang zijn - in feite, Feynmans uitdagingen zoals hij ze in zijn toespraak in 1959 presenteerde, zijn aangegaan - wetenschappers en ingenieurs blijven onderaan ruimte vrijmaken voor nog geavanceerdere nanotechnologie. Een 8-bits opteller op nanoschaal die werkt in een afmeting van 50 bij 50 bij 50 nanometer, voorgesteld als onderdeel van de huidige Feynman Grand Prize-uitdaging door het Foresight Institute, is nog niet bereikt. Echter, de voortdurende ontwikkeling en fabricage van steeds kleinere componenten brengt dit computerapparaat ter grootte van een virus dichter bij de realiteit, zei Dmitri Strukov, een UCSB-professor in de informatica.

"Onze bijdrage is dat we de specifieke kenmerken van die logica hebben verbeterd en het zo hebben ontworpen dat het in drie dimensies kan worden gebouwd, " hij zei.

De sleutel tot deze ontwikkeling is het gebruik van een logisch systeem dat materiële implicatielogica wordt genoemd, gecombineerd met memristors - circuitelementen waarvan de weerstand afhangt van de meest recente ladingen en de richtingen van de stromen die er doorheen zijn gestroomd. In tegenstelling tot de conventionele computerlogica en schakelingen in onze huidige computers en andere apparaten, in deze vorm van computergebruik, logische werking en informatieopslag gebeuren gelijktijdig en lokaal. Dit vermindert de behoefte aan componenten en ruimte die doorgaans worden gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren en gegevens heen en weer te verplaatsen tussen bewerking en geheugenopslag aanzienlijk. Het resultaat van de berekening wordt onmiddellijk opgeslagen in een geheugenelement, die gegevensverlies bij stroomuitval voorkomt - een cruciale functie in autonome systemen zoals robotica.

In aanvulling, de onderzoekers hebben de traditioneel tweedimensionale architectuur van de memristor opnieuw geconfigureerd in een driedimensionaal blok, die vervolgens kunnen worden gestapeld en verpakt in de ruimte die nodig is om de Feynman Grand Prize Challenge aan te gaan.

"Eerdere groepen laten zien dat individuele blokken kunnen worden geschaald tot zeer kleine afmetingen, laten we zeggen 10 bij 10 nanometer, " zei Strukov, die in de laboratoria van technologiebedrijf Hewlett-Packard werkte toen ze de ontwikkeling van memristors en materiële implicatielogica opvoerden. Door die resultaten toe te passen op de ontwikkelingen van zijn groep, hij zei, de uitdaging kon gemakkelijk worden aangegaan.

De kleine memristors worden intensief onderzocht in de academische wereld en in de industrie vanwege hun veelbelovende gebruik in geheugenopslag en neuromorfisch computergebruik. Hoewel implementaties van materiële implicatielogica nogal exotisch en nog niet mainstream zijn, gebruikt voor het kan elk moment opduiken, vooral in energie schaarse systemen zoals robotica en medische implantaten.

"Omdat deze technologie nog nieuw is, er is meer onderzoek nodig om de betrouwbaarheid en levensduur te vergroten en om grootschalige driedimensionale circuits te demonstreren die dicht opeengepakt zijn in tientallen of honderden lagen, ' zei Adam.