Des chercheurs de la NUS développent un dispositif de mémoire inspiré du cerveau qui pourrait révolutionner la conception des semi-conducteurs

Newswise – Singapour, le 2 septembre 2021 – De nombreux dispositifs électroniques reposent aujourd’hui sur des circuits logiques à semi-conducteurs à commutation câblée pour exécuter des fonctions logiques prédéfinies. Des physiciens de l’Université nationale de Singapour (NUS), en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, ont développé un nouveau memristor moléculaire, ou dispositif de mémoire électronique, doté d’un potentiel exceptionnel de reconfiguration de la mémoire.

Contrairement aux circuits câblés standard, le dispositif moléculaire peut être reconfiguré à l’aide d’une tension pour inclure diverses tâches de calcul. Une nouvelle technologie écoénergétique, capable d’améliorer la puissance et la vitesse de calcul, peut être utilisée dans l’informatique de pointe, ainsi que dans les appareils portables et les applications avec des ressources énergétiques limitées.

« Ce travail est une percée majeure dans notre quête de conception de l’informatique à faible consommation. L’idée d’utiliser la transformation multiple dans un seul composant s’inspire du fonctionnement du cerveau et réinvente fondamentalement la stratégie de conception de circuits logiques », a déclaré Associate Le professeur Ariando du Département de physique de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud qui a dirigé la recherche. .

La recherche a été publiée pour la première fois dans la revue tempérer la nature Le 1er septembre 2021, et mis en œuvre en association avec l’Association indienne pour la culture des sciences, Hewlett Packard Enterprise, l’Université de Limerick, l’Université d’Oklahoma et l’Université Texas A&M.

Une technologie inspirée du cerveau

« Cette nouvelle découverte pourrait contribuer aux progrès de l’informatique de pointe en tant qu’approche de pointe de l’informatique mémoire pour surmonter le goulot d’étranglement de von Neumann, qui est le retard du traitement informatique observé dans de nombreuses technologies numériques en raison de la séparation physique du stockage mémoire de l’appareil processeur », a déclaré le professeur adjoint Ariando. . Le nouveau dispositif moléculaire a également le potentiel de contribuer à la conception de puces de traitement de nouvelle génération avec une puissance et une vitesse de calcul améliorées.

« Semblable à la flexibilité et à l’adaptabilité des connexions dans le cerveau humain, notre dispositif de mémoire peut être rapidement reconfiguré pour effectuer différentes tâches de calcul en modifiant simplement les tensions appliquées. De plus, comme la façon dont les neurones peuvent stocker des souvenirs, le dispositif lui-même peut également contenir des informations pour récupération et traitement futur », a déclaré le premier auteur, le Dr Srithush Goswami, chercheur au département de physique de la NUS.

Le membre de l’équipe de recherche, le Dr Sriprata Goswami, qui était chercheur principal à la NUS et ancien professeur à la Société indienne pour la culture des sciences, a conceptualisé et conçu un système moléculaire appartenant à la famille chimique de la phényl azopyridine qui a un atome de métal central lié à l’organique molécules appelées ligands. « Ces molécules sont comme des éponges d’électrons qui peuvent présenter jusqu’à six transferts d’électrons résultant en cinq états moléculaires différents. L’interconnexion entre ces états est la clé de la reconfiguration de l’appareil », a expliqué le Dr Sriprata Goswami.

Le Dr Srithush Goswami a créé un microcircuit constitué d’une couche de 40 nanomètres de film moléculaire prise en sandwich entre une couche supérieure d’or et une couche inférieure de nano-or et d’oxyde d’indium et d’étain. Notez un profil courant-tension sans précédent lorsqu’une tension négative est appliquée à l’appareil. Contrairement aux memristors à oxyde métallique conventionnels qui s’allument et s’éteignent à une seule tension constante, ces dispositifs moléculaires organiques peuvent basculer entre des états allumés et éteints à de nombreuses tensions en série distinctes.

En utilisant une technique d’imagerie appelée spectroscopie Raman, des signatures spectrales dans le mouvement vibrationnel de la molécule organique ont été observées pour expliquer les multiples transitions. Le Dr Sriprata Goswami a expliqué que « le balayage de la tension négative a incité les liaisons de la molécule à subir une série de réductions, ou de gain d’électrons provoquant la transition de la molécule entre les états activé et désactivé ».

Les chercheurs décrivent le comportement des particules à l’aide d’un algorithme d’arbre de décision avec des instructions « if-then-else », qui sont utilisées dans le codage de nombreux programmes informatiques, en particulier les jeux numériques, par rapport à l’approche traditionnelle consistant à utiliser les bases de la physique basée sur les équations.

De nouvelles possibilités pour les appareils économes en énergie

Sur la base de leurs recherches, l’équipe a utilisé des dispositifs de mémoire moléculaire pour exécuter des programmes pour diverses tâches de calcul du monde réel. En guise de preuve de concept, l’équipe a montré que sa technologie peut effectuer des calculs complexes en une seule étape et peut être reprogrammée pour effectuer une autre tâche l’instant suivant. Un seul dispositif de mémoire moléculaire peut exécuter les mêmes fonctions de calcul que des milliers de transistors, faisant de la technologie une option de mémoire plus robuste et économe en énergie.

Le professeur Ariando a ajouté : « La technologie peut d’abord être utilisée dans les appareils mobiles, tels que les téléphones portables et les capteurs, et d’autres applications où la puissance est limitée.

L’équipe est en train de construire de nouveaux appareils électroniques incorporant leurs innovations et de travailler avec des collaborateurs pour effectuer des simulations et des tests de performances des technologies existantes.

Les autres contributeurs au document de recherche incluent Abhijit Batra et Santi Prasad Rath de NUS, Rajip Pramanik de l’Association indienne pour la culture de la science, Martin Fultin de Hewlett Packard Enterprise, Damien Thompson de l’Université de Limerick, T. Oklahoma, R. Stanley Williams de l’Université A&M du Texas.