Computeralgoritmen voeren mogelijk hersenachtige functies uit, zoals gezichtsherkenning en taalvertaling, maar de computers zelf moeten nog als hersens werken.

"Computers hebben aparte verwerkings- en geheugenopslageenheden, overwegende dat de hersenen neuronen gebruiken om beide functies uit te voeren, "Zei Mark C. Hersam van de Northwestern University. "Neurale netwerken kunnen gecompliceerde berekeningen uitvoeren met een aanzienlijk lager energieverbruik in vergelijking met een digitale computer."

In recente jaren, onderzoekers hebben gezocht naar manieren om computers meer neuromorf te maken, of hersenachtig, om steeds complexere taken met hoge efficiëntie uit te voeren. Nu Hersam, een Walter P. Murphy hoogleraar Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, en zijn team brengen de wereld dichter bij het realiseren van dit doel.

Het onderzoeksteam heeft een nieuw apparaat ontwikkeld genaamd een "memtransistor, " die net als een neuron werkt door zowel geheugen- als informatieverwerking uit te voeren. Met gecombineerde kenmerken van een memristor en transistor, de memtransistor omvat ook meerdere terminals die meer op een neuraal netwerk werken.

Ondersteund door het National Institute of Standards and Technology en de National Science Foundation, het onderzoek is vandaag online gepubliceerd, 22 februari in Natuur . Vinod K. Sangwan en Hong-Sub Lee, postdoctorale fellows geadviseerd door Hersam, diende als co-eerste auteurs van het papier.

De memtransistor bouwt voort op werk gepubliceerd in 2015, waarin Hersam, Sangwan, en hun medewerkers gebruikten enkellaags molybdeendisulfide (MoS2) om een ​​drie-terminale, gate-afstembare memristor voor snelle, betrouwbare digitale geheugenopslag. memristor, wat een afkorting is voor "geheugenweerstanden, " zijn weerstanden in een stroom die de spanning "onthouden" die er eerder op is toegepast. Typische memristors zijn elektronische apparaten met twee aansluitingen, die slechts één spanningskanaal kan regelen. Door het om te zetten in een apparaat met drie aansluitingen, Hersam maakte de weg vrij voor memristors voor gebruik in complexere elektronische circuits en systemen, zoals neuromorphic computing.

Om de memtransistor te ontwikkelen, Het team van Hersam gebruikte opnieuw atomair dunne MoS2 met goed gedefinieerde korrelgrenzen, die de stroomsterkte beïnvloeden. Vergelijkbaar met de manier waarop vezels in hout zijn gerangschikt, atomen zijn gerangschikt in geordende domeinen - "korrels" genoemd - binnen een materiaal. Wanneer een grote spanning wordt toegepast, de korrelgrenzen vergemakkelijken atomaire beweging, een verandering in weerstand veroorzaken.

"Omdat molybdeendisulfide atomair dun is, het wordt gemakkelijk beïnvloed door aangelegde elektrische velden, " legde Hersam uit. "Deze eigenschap stelt ons in staat om een ​​transistor te maken. De memristorkenmerken komen voort uit het feit dat de defecten in het materiaal relatief mobiel zijn, vooral in de aanwezigheid van korrelgrenzen."

Maar in tegenstelling tot zijn vorige memristor, die individuele, kleine vlokken MoS2, De memtransistor van Hersam maakt gebruik van een continue film van polykristallijn MoS2 die bestaat uit een groot aantal kleinere vlokken. Hierdoor kon het onderzoeksteam het apparaat opschalen van één vlok naar meerdere apparaten over een hele wafer.

"Als de lengte van het apparaat groter is dan de individuele korrelgrootte, je hebt gegarandeerd korrelgrenzen in elk apparaat over de wafel, "Zei Hersam. "Dus, we zien reproduceerbaar, gate-afstembare memristieve reacties over grote reeksen apparaten."

Nadat memtransistors uniform over een hele wafer zijn gefabriceerd, Het team van Hersam heeft extra elektrische contacten toegevoegd. Typische transistoren en de eerder ontwikkelde memristor van Hersam hebben elk drie aansluitingen. In hun nieuwe krant echter, het team realiseerde een apparaat met zeven terminals, waarbij één terminal de stroom regelt tussen de andere zes terminals.

"Dit lijkt nog meer op neuronen in de hersenen, "Hersam zei, "omdat in de hersenen we hebben meestal niet één neuron verbonden met slechts één ander neuron. In plaats daarvan, een neuron is verbonden met meerdere andere neuronen om een ​​netwerk te vormen. Onze apparaatstructuur maakt meerdere contacten mogelijk, wat vergelijkbaar is met de meerdere synapsen in neuronen."

Volgende, Hersam en zijn team werken eraan om de memtransistor sneller en kleiner te maken. Hersam is ook van plan het apparaat verder op te schalen voor productiedoeleinden.

"Wij geloven dat de memtransistor een fundamenteel circuitelement kan zijn voor nieuwe vormen van neuromorfisch computergebruik, "zei hij. "Echter, tientallen apparaten maken, zoals we in onze krant hebben gedaan, is iets anders dan een miljard verdienen, wat tegenwoordig met conventionele transistortechnologie wordt gedaan. Zo ver, we zien geen fundamentele barrières die verdere opschaling van onze aanpak in de weg staan."