Elles sont plusieurs fois plus rapides que la mémoire flash et nécessitent beaucoup moins d’énergie : les cellules mémoire memristives pourraient révolutionner l’efficacité énergétique des ordinateurs neuronaux. Dans ces ordinateurs, calqués sur le fonctionnement du cerveau humain, les cellules memristives agissent comme des synapses artificielles. De nombreux groupes à travers le monde travaillent avec des circuits neuronaux compatibles – mais souvent avec un manque de compréhension de leur fonctionnement et des modèles défectueux. Les chercheurs de Julich ont maintenant résumé les principes physiques et les modèles dans un article de synthèse complet dans la revue Advances in Physics.
Certaines tâches – telles que la reconnaissance de formes et le langage – sont exécutées très efficacement par le cerveau humain, ne nécessitant qu’environ un dix millième de la puissance de ce que l’on appelle « l’ordinateur von Neumann ». L’une des raisons réside dans les différences structurelles : dans l’architecture von Neumann, il existe une séparation claire entre la mémoire et le processeur, ce qui nécessite le transfert constant de grandes quantités de données. C’est une perte de temps et d’énergie – le soi-disant goulot d’étranglement de von Neumann. Dans le cerveau, le processus de calcul se déroule directement dans la mémoire de données et les synapses biologiques effectuent à la fois des tâches de mémoire et de processeur.
À Jülich, les scientifiques ont travaillé pendant plus de 15 ans sur des dispositifs spéciaux de stockage de données et des composants qui pourraient avoir des propriétés similaires aux synapses du cerveau humain. Les dispositifs de mémoire dits memristifs, également connus sous le nom de memristors, sont extrêmement rapides, économes en énergie et peuvent être minimisés jusqu’à l’échelle du nanomètre. L’action des cellules memristives repose sur un effet très particulier : leur résistance électrique n’est pas constante, mais peut être modifiée et réinitialisée par application d’une tension externe, théoriquement en continu. Le changement de résistance est contrôlé par le mouvement des ions oxygène. Si ceux-ci s’éloignent de la couche d’oxyde métallique semi-conducteur, le matériau devient plus conducteur et la résistance électrique diminue. Ce changement de résistance peut être utilisé pour stocker des informations.
Les processus qui peuvent se produire dans les cellules sont très complexes et varient en fonction du système matériel. Trois chercheurs de l’Institut Jülich Peter Grunberg – le professeur Regina Dittmann, le Dr Stefan Menzel et le professeur Rainer Wasser – ont compilé les résultats de leurs recherches dans un article de synthèse détaillé, « Nanospheres in Metal Oxides : The Mechanism of Valence Change ». Ils expliquent en détail les différents effets physiques et chimiques dans les memristors et mettent en évidence l’influence de ces effets sur les propriétés de commutation et la fiabilité des cellules memristives.
« Si vous regardez les activités de recherche actuelles dans le domaine des circuits neuronaux memristors, elles sont souvent basées sur des approches expérimentales pour améliorer les matériaux », a déclaré Rainer Wasser, directeur de l’Institut Peter Grunberg. « Notre objectif avec notre article de synthèse est de donner aux chercheurs quelque chose avec quoi travailler afin de permettre une amélioration matérielle basée sur la perspicacité. » L’équipe d’auteurs a travaillé sur l’article de près de 200 pages pendant dix ans et il était tout naturel qu’ils continuent à intégrer les progrès des connaissances.
Regina Dittmann de l’Institut Peter Grünberg explique : « Les fonctions similaires des cellules memristives nécessaires pour être utilisées comme synapses artificielles ne sont pas le cas normal. Il y a généralement des sauts soudains de résistance, causés par l’amplification mutuelle du mouvement ionique et de la chaleur Joule. » . « Dans notre article de synthèse, nous fournissons aux chercheurs la compréhension nécessaire de la façon de modifier la dynamique des cellules pour permettre un mode de fonctionnement analogique. »
« Vous voyez encore et encore que les groupes imitent leurs circuits de memristor avec des modèles qui ne tiennent pas du tout compte de la dynamique élevée des cellules. Ces circuits ne fonctionneront jamais. » Stefan Menzel, qui dirige les activités de modélisation à l’Institut Peter Grunberg et a développé de puissants modèles intégrés qui sont maintenant dans le domaine public, a déclaré. « Dans notre article bilan, nous vous présentons les bases très utiles pour une utilisation correcte de nos modèles compacts. »
Feuille de route de l’informatique neuronale
La feuille de route pour l’informatique et l’ingénierie neurale, publiée en mai 2022, montre comment l’informatique neurale peut aider à réduire la consommation d’énergie massive des technologies de l’information à l’échelle mondiale. Dans ce document, des chercheurs de l’Institut Peter Grünberg (PGI-7), ainsi que des experts de premier plan dans le domaine, ont synthétisé diverses possibilités technologiques, approches informatiques, algorithmes d’apprentissage et domaines d’application.
Selon l’étude, les applications en intelligence artificielle, telles que la reconnaissance de formes ou la reconnaissance de la parole, sont susceptibles de bénéficier de manière particulière de l’utilisation de dispositifs neuronaux. En effet, ils reposent – bien plus que l’informatique numérique traditionnelle – sur la transmission de grandes quantités de données. Les cellules memristives permettent de traiter ces énormes ensembles de données directement en mémoire sans les faire aller et venir entre le processeur et la mémoire. Cela peut réduire l’efficacité énergétique des réseaux de neurones artificiels de plusieurs ordres de grandeur.
Les cellules memristives peuvent également être liées pour former des réseaux à haute densité qui permettent aux réseaux de neurones d’apprendre localement. Ainsi, ce que l’on appelle l’informatique de pointe déplace les calculs du centre de données vers l’usine, la voiture ou le domicile des personnes nécessitant des soins. Ainsi, des opérations de surveillance et de contrôle peuvent être effectuées ou des actions de sauvetage initiées sans envoyer de données via le cloud. « Cela permet d’obtenir deux choses à la fois : économiser de l’énergie, et en même temps, les données personnelles et les données liées à la sécurité restent sur le site », explique le professeur Dittmann, qui a joué un rôle clé dans la création de la feuille de route en tant qu’éditeur.
Pendant des décennies, la plupart des estimations de l'eau totale des rivières sur Terre étaient des améliorations par rapport aux chiffres de l'ONU de 1974. De meilleures estimations ont été difficiles à obtenir en raison du manque d'observations des rivières du monde, en particulier celles qui sont éloignées des concentrations humaines. Aujourd'hui, en utilisant une nouvelle approche, les scientifiques de la NASA ont réalisé de nouvelles estimations de la quantité d'eau qui s'écoule dans les rivières de la Terre, de la vitesse à laquelle elle s'écoule dans l'océan et de la fluctuation de ces deux chiffres au fil du temps. Ces informations sont essentielles pour comprendre le cycle de l’eau de la planète et gérer les réserves d’eau douce.
Pour obtenir une image globale de la quantité d'eau que contiennent les rivières de la Terre, des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont combiné des mesures de débitmètre avec des modèles informatiques d'environ 3 millions de segments de rivières à travers le monde. La recherche a été dirigée par Elissa Collins, qui a mené l’analyse en tant que stagiaire au JPL et doctorante à la North Carolina State University. Publié dans Sciences naturelles de la terre.
Les scientifiques ont estimé que le volume total d'eau des rivières de la Terre, en moyenne, entre 1980 et 2009, était de 2 246 kilomètres cubes (539 miles cubes). Cela équivaut à la moitié de l’eau du lac Michigan et à environ 0,006 % de l’eau douce totale, qui représente elle-même 2,5 % du volume mondial. Même si les rivières représentent une petite partie de l'approvisionnement total en eau de la planète, elles sont vitales pour les humains depuis les premières civilisations.
La carte en haut de cette page montre le volume d'eau stocké par région hydrologique. Les chercheurs ont estimé que le bassin amazonien (bleu foncé) contient environ 38 pour cent de l'eau fluviale mondiale, le pourcentage le plus élevé évalué dans toutes les régions hydrologiques. Le même bassin rejette également le plus d’eau dans l’océan (deuxième carte) : 6 789 kilomètres cubes (1 629 miles cubes) par an. Cela représente 18 % des rejets mondiaux dans les océans, qui ont atteint en moyenne 37 411 kilomètres cubes (8 975 milles cubes) par an de 1980 à 2009.
Bien qu'il ne soit pas possible qu'une rivière ait un débit négatif (l'approche de l'étude ne permet pas un écoulement en amont), à des fins comptables, il est possible que moins d'eau sorte de certaines parties de la rivière qu'elle n'en entre. C’est ce que les chercheurs ont découvert pour certaines parties des bassins des fleuves Colorado, Amazone et Orange, ainsi que pour le bassin Murray-Darling, dans le sud-est de l’Australie. Ces flux négatifs indiquent pour la plupart une utilisation humaine intense de l’eau.
« Ce sont les endroits où nous voyons les empreintes digitales de la gestion de l’eau », a déclaré Collins.
Les chercheurs ont découvert que le trou bleu de Tam Ga, au Mexique, est le trou sous-marin connu le plus profond au monde, et ils n'ont pas encore atteint le fond.
De nouvelles mesures indiquent que le Tam Ja Blue Hole (TJBH), situé dans la baie de Chetumal, au large de la côte sud-est de la péninsule du Yucatán, s'étend à au moins 1 380 pieds (420 mètres) sous le niveau de la mer.
C'est 480 pieds (146 mètres) plus profond que ce que les scientifiques avaient initialement documenté lorsqu'ils l'ont découvert pour la première fois. Découvrez le trou bleu En 2021, il est 390 pieds (119 m) plus profond que le niveau de la mer Ancien détenteur du record – Le Trou Bleu de Sansha Yongle, d'une profondeur de 301 m, également connu sous le nom de Trou du Dragon, dans la mer de Chine méridionale.
« Le 6 décembre 2023, une expédition de plongée a été menée pour connaître les conditions environnementales dominantes à TJBH », ont écrit les chercheurs dans une étude publiée lundi 29 avril dans la revue. Frontières des sciences marines. Au cours de l'expédition, les chercheurs ont effectué des mesures à l'aide d'un profileur de conductivité, de température et de profondeur (CTD), un appareil contenant un ensemble de capteurs qui… Lire et transmettre les propriétés de l'eau Vers la surface en temps réel via câble. Les données ont révélé que le trou bleu de Tam Ga est « le trou bleu connu le plus profond au monde et que son fond n’a pas encore été atteint », ont écrit les chercheurs dans l’étude.
à propos de: Une immense grotte au Mexique, formée il y a 15 millions d'années, est plus grande que nous le pensions
Le chercheur a également mis en évidence différentes couches d'eau dans le trou bleu, y compris une couche inférieure à 400 mètres où les conditions de température et de salinité sont similaires à celles trouvées dans la mer des Caraïbes et dans les lagons récifaux côtiers voisins. Cela suggère que TJBH pourrait être connecté à l'océan via un réseau caché de tunnels et de grottes, selon l'étude.
Les trous bleus sont des cavernes verticales remplies d'eau, ou les égoutsOn le trouve dans les zones côtières où le substrat rocheux est constitué de matériaux solubles, tels que le calcaire, le marbre ou le gypse. Ils se forment lorsque l’eau à la surface s’infiltre à travers les roches, dissolvant les minéraux et élargissant les fissures, provoquant finalement l’effondrement des roches. Des exemples célèbres incluent le Dean Blue Hole aux Bahamas, le Dahab Blue Hole en Égypte et le Great Blue Hole au Belize.
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Localisation du Tam Ga Blue Hole dans la baie de Chetumal, Mexique, et photos d'un voyage de plongée en décembre 2023. (Crédit image : Alcérreca-Huerta et al. Frontiers in Marine Science (2024))
Les premières mesures du TJBH ont été prises à l'aide d'un échosondeur, un appareil qui envoie des ondes sonores au fond de l'eau et mesure leur vitesse de retour pour calculer la distance. Cependant, les techniques d’écho des trous bleus présentent des limites en raison des fluctuations de la densité de l’eau et de la forme imprévisible de chaque trou, qui peut ne pas être parfaitement vertical.
« Confirmer la profondeur maximale n'a pas été possible en raison des limitations des instruments lors des missions scientifiques en 2021 », ont écrit les chercheurs dans l'étude.
L'instrument CTD utilisé dans les travaux récents n'a pas non plus pu trouver le fond du trou bleu, car il ne peut fonctionner qu'à une profondeur de 1 640 pieds (500 mètres). Les scientifiques ont abaissé le dispositif d'identification à cette profondeur, mais le câble auquel il était connecté a peut-être été emporté par les courants sous-marins ou a heurté un rebord qui a arrêté l'appareil dans son élan à une profondeur de 1 380 pieds, selon l'étude.
Ensuite, les scientifiques prévoient de déchiffrer la profondeur maximale de TJBH et son potentiel à faire partie d'un système sous-marin complexe et peut-être interconnecté de grottes et de tunnels, ont écrit les chercheurs.
« Au plus profond du TJBH, il pourrait également y avoir une biodiversité à explorer », ont-ils ajouté.
Carte de la structure cristalline de l'alliage obtenue à partir de la diffraction par rétrodiffusion des électrons au microscope électronique à balayage. Chaque couleur représente une partie du cristal où la structure répétitive change d'orientation 3D. Crédit : Laboratoire de Berkeley
Des chercheurs ont découvert un minéral inhabituel Alliage Il ne se fissurera pas à des températures extrêmes en raison de la flexion ou de la flexion des cristaux de l'alliage au niveau atomique.
Un alliage métallique composé de niobium, de tantale, de titane et de hafnium a choqué les scientifiques des matériaux par sa résistance et sa ténacité étonnantes à des températures extrêmement chaudes et froides, une combinaison de propriétés qui semblaient jusqu'à présent presque impossibles à obtenir. Dans ce contexte, la résistance est définie comme la quantité de force qu'un matériau peut supporter avant d'être déformé de manière permanente par rapport à sa forme d'origine, et la ténacité est sa résistance à la rupture (fissuration). La résilience de l'alliage à la flexion et à la rupture dans un large éventail de conditions pourrait ouvrir la porte à une nouvelle classe de matériaux pour les moteurs de nouvelle génération, capables de fonctionner plus efficacement.
L'équipe, dirigée par Robert Ritchie du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) et de l'UC Berkeley, en collaboration avec des groupes dirigés par les professeurs Deran Apelian de l'UC Irvine et Enrique Lavernia de la Texas A&M University, a découvert puis découvert les propriétés étonnantes de l'alliage. . Comment résultent-ils des interactions dans la structure atomique ? Leurs travaux ont été décrits dans une étude récemment publiée dans la revue les sciences.
« L'efficacité de la conversion de la chaleur en électricité ou en propulsion est déterminée par la température à laquelle le carburant est brûlé : plus il est chaud, mieux c'est. Cependant, la température de fonctionnement est limitée par les matériaux structurels auxquels il doit résister. » Nous avons épuisé la possibilité d’améliorer les matériaux que nous utilisons actuellement à haute température, et il existe un grand besoin de nouveaux matériaux métalliques. C’est ce que promet cet alliage.
L'alliage dans cette étude appartient à une nouvelle classe de métaux connus sous le nom d'alliages résistants aux températures élevées ou moyennes (RHEA/RMEA). La plupart des métaux que nous voyons dans les applications commerciales ou industrielles sont des alliages constitués d'un métal parent mélangé à de petites quantités d'autres éléments, mais les RHEA et les RMEA sont fabriqués en mélangeant des quantités presque égales d'éléments métalliques avec des températures de fusion très élevées, ce qui leur confère des propriétés encore uniques. . Les scientifiques le découvrent. Le groupe de Ritchie étudie ces alliages depuis plusieurs années en raison de leur potentiel pour les applications à haute température.
Cette carte de structure du matériau montre des bandes de réseau qui se forment près du fond de fissure lorsque les fissures se propagent (de gauche à droite) dans l'alliage à 25°C, température ambiante. Réalisé à l'aide d'un détecteur de diffraction de rétrodiffusion d'électrons dans un microscope électronique à balayage. Crédit : Laboratoire de Berkeley
« Notre équipe a déjà effectué des travaux sur les RHEA et les RMEA et a découvert que ces matériaux sont très résistants, mais ont généralement une très faible ténacité à la rupture, c'est pourquoi nous avons été choqués lorsque cet alliage a montré une ténacité exceptionnellement élevée », a déclaré le co-auteur. Puneet Kumar, chercheur postdoctoral du groupe.
Selon Cook, la plupart des RMEA ont une ténacité inférieure à 10 MPa, ce qui en fait l'un des métaux les plus fragiles de tous. Les meilleurs aciers cryogéniques, spécialement conçus pour résister à la casse, sont environ 20 fois plus résistants que ces matériaux. Cependant, le niobium, le tantale, le titane et le hafnium (Nb45Ta25T15Haute fréquence15) L'alliage RMEA était capable de surpasser même l'acier cryogénique, enregistrant des performances plus de 25 fois supérieures à celles du RMEA typique à température ambiante.
Mais les moteurs ne fonctionnent pas à température ambiante. Les scientifiques ont évalué la résistance et la durabilité à cinq températures totales : -196°C (température de l'azote liquide), 25°C (température ambiante), 800°C, 950°C et 1 200°C. Cette dernière température est environ 1/5 de la température de la surface du Soleil.
L’équipe a découvert que l’alliage présente sa plus grande résistance au froid et s’affaiblit légèrement à mesure que la température augmente, mais présente toujours des chiffres impressionnants sur une large plage. La ténacité à la rupture, calculée à partir de la force nécessaire pour propager une fissure existante dans un matériau, était élevée à toutes les températures.
Révéler les arrangements atomiques
Presque tous les alliages métalliques sont cristallins, ce qui signifie que les atomes contenus dans le matériau sont disposés en unités répétitives. Cependant, aucun cristal n’est parfait, ils contiennent tous des imperfections. Le défaut le plus important qui se déplace est appelé dislocation, c'est-à-dire un plan imparfait d'atomes dans le cristal. Lorsqu’une force est appliquée au métal, plusieurs dislocations se déplacent pour s’adapter au changement de forme.
Par exemple, lorsque vous pliez un trombone en aluminium, le mouvement des dislocations à l’intérieur du trombone s’adapte au changement de forme. Cependant, le mouvement des dislocations devient plus difficile à basse température et, par conséquent, de nombreux matériaux deviennent cassants à basse température car les dislocations ne peuvent pas bouger. C'est pourquoi la coque en acier du Titanic s'est brisée lorsqu'elle a heurté un iceberg. Les éléments à haute température de fusion et leurs alliages poussent cela à l'extrême, nombre d'entre eux restant cassants même jusqu'à 800°C. Cependant, cette RMEA va à l’encontre de la tendance, en résistant aux interruptions même à des températures aussi basses que l’azote liquide (-196°C).
Cette carte montre les bandes de réseau formées près du fond de fissure lors d'un test de propagation de fissure (de gauche à droite) dans l'alliage à -196°C. Crédit : Laboratoire de Berkeley
Pour comprendre ce qui se passait à l'intérieur du métal exquis, le co-chercheur Andrew Minor et son équipe ont analysé les échantillons soumis à des contraintes, ainsi que des échantillons témoins non pliés et non fissurés, à l'aide d'un microscope électronique à balayage tridimensionnel (4D-STEM) et d'un microscope électronique à balayage ( STEM) au Centre national de microscopie électronique, qui fait partie de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab.
Les données du microscope électronique ont révélé que la dureté inhabituelle de l'alliage provient d'un effet secondaire inattendu d'un défaut rare appelé bande pliée. Des bandes de nœuds se forment dans un cristal lorsqu'une force appliquée provoque l'effondrement soudain des segments du cristal sur eux-mêmes et leur courbure. La direction dans laquelle le cristal se courbe dans ces brins augmente la force ressentie par les dislocations, les rendant ainsi plus faciles à déplacer. Au niveau de la masse, ce phénomène provoque un ramollissement du matériau (ce qui signifie que moins de force doit être appliquée sur le matériau lors de sa déformation). L'équipe savait, grâce à des recherches antérieures, que des bandes de nœuds se formaient facilement dans le RMEA, mais ils ont émis l'hypothèse que l'effet adoucissant rendrait le matériau moins rigide en facilitant la propagation des fissures à travers le réseau. Mais en réalité, ce n’est pas le cas.
« Nous avons montré, pour la première fois, que dans le cas d'une fissure brutale entre des atomes, les bandes de torsion résistent réellement à la propagation des fissures en répartissant les dommages loin d'elles, empêchant ainsi la fracture et entraînant une ténacité inhabituellement élevée », a déclaré Cook.
N.-B.45Ta25T15Haute fréquence15 Les alliages devront subir des recherches plus fondamentales et des tests techniques avant de réaliser quelque chose comme une turbine à réaction ou EspaceX La tuyère de la fusée en est fabriquée, a déclaré Ritchie, car les ingénieurs en mécanique doivent vraiment comprendre en profondeur les performances de leurs matériaux avant de les utiliser dans le monde réel. Cependant, cette étude suggère que le métal a le potentiel pour construire les moteurs du futur.
Référence : « Les bandes pliées améliorent la résistance exceptionnelle à la rupture dans l'alliage réfractaire à entropie moyenne NbTaTiHf » par David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Deran Abelian et Robert O. Richie, 11 avril 2024, les sciences. est ce que je: 10.1126/science.adn2428
Cette recherche a été menée par David H. Cook, Puneet Kumar et Madeleine I. Payne et Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zihao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor et Enrique. J. Lavernia, Deran Abelian et Robert O. Ritchie, des scientifiques du Berkeley Lab, de l'UC Berkeley, du Pacific Northwest National Laboratory et de l'UC Irvine, avec un financement du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie. L'analyse expérimentale et informatique a été réalisée à la Fonderie Moléculaire et au Centre Informatique Scientifique National de Recherche Énergétique, deux installations utilisatrices du Bureau des Sciences du Département de l'Énergie.
