في اختراع منشور في المجلة طبيعي >> صفة، وصف فريق دولي من الباحثين جهازًا جزيئيًا جديدًا بقدرات حوسبية استثنائية.
تذكرنا مرونة الاتصالات في الدماغ البشري ، يمكن إعادة ترتيب الجهاز أثناء الطيران للقيام بمهام حسابية مختلفة. علاوة على ذلك ، مثلما تخزن الخلايا العصبية الذكريات ، يمكن للجهاز نفسه أيضًا تخزين المعلومات من أجل الاسترداد والمعالجة في المستقبل.
“يمتلك الدماغ إمكانات كبيرة لتغيير الأسلاك من خلال إنشاء وكسر الروابط بين الخلايا العصبية. يقول الدكتور آر. ستانلي ويليامز ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة تكساس إيه آند إم ، إنه من الصعب جدًا تحقيق شيء مشابه في بنية الجسم. . “، لا يتم تحقيقه من خلال تغيير روابط الجسم مثل الدماغ ، ولكن من خلال إعادة نشر منطقه.”
فينكاتيش ، مدير مركز أبحاث وتقنية الكم في جامعة أوكلاهوما ، قال إن أجهزتهم الجزيئية يمكن أن تساعد في تصميم رقائق معالجة من الجيل التالي مع تحسين قوة وسرعة حسابية في المستقبل ، لكنها ستقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة.
سواء كان جهاز كمبيوتر محمول مألوفًا أو كمبيوترًا فائقًا متطورًا ، فإن التقنيات الرقمية تواجه خصمًا مشتركًا ، وهو Van Newman Bottle Neck. هذا التأخير في العملية الحسابية هو نتيجة تكوينات الكمبيوتر الحالية التي يتم فيها فصل الذاكرة التي تحتوي على البيانات والبرامج فعليًا عن المعالج. نتيجة لذلك ، تحتفظ أجهزة الكمبيوتر بالمعلومات بين نظامين لفترة طويلة ، مما يتسبب في حدوث مشكلات. أيضًا ، على الرغم من سرعات المعالج العالية جدًا ، يمكن أن تظل هذه الوحدات غير نشطة لفترات طويلة من الوقت أثناء فترات الإرسال.
كبديل للمكونات الإلكترونية التقليدية المستخدمة في تصميم وحدات الذاكرة والمعالجات ، توفر الأجهزة المسماة الحافظات وسيلة لتجنب اختناقات فون نيومان. تتغير الذكريات ، مثل ثاني أكسيد النيوبيوم وثاني أكسيد الفاناديوم ، من عازل إلى موصل عند درجة حرارة معينة. تمنح هذه الخاصية هذا النوع من الذاكرة القدرة على إجراء العمليات الحسابية وتخزين البيانات.
ومع ذلك ، على الرغم من مزاياها العديدة ، فإن آثار أكسيد المعادن هذه مصنوعة من عناصر أرضية نادرة ولا يمكن أن تعمل إلا في ظل أنظمة درجة حرارة مضبوطة. لذلك ، هناك بحث مستمر عن جزيئات عضوية واعدة يمكنها أداء وظيفة ذاكرة مماثلة ، كما قال ويليامز.
قام الدكتور سريبرادا جوسوامي ، أستاذ ، الرابطة الهندية للزراعة العلمية ، بتصميم المواد المستخدمة في هذا العمل. تحتوي السبيكة على معدن مركزي ذرة (الحديد) يرتبط بثلاثة دبابيس من جزيئات الآزو بيريدين العضوية.
قال سريبرادا: “إنه يعمل مثل الإسفنج الإلكتروني ، الذي يمكنه استرداد ما يصل إلى ستة إلكترونات ، مما ينتج عنه سبعة مستويات مختلفة من الأكسدة والاختزال”. “العلاقة المتبادلة بين هذه الدول تكمن في خلفية إعادة الهيكلة الموضحة في هذا العمل”.
د. باحث في جامعة سنغافورة الوطنية. ابتكر سريدوش جوسوامي المشروع من خلال إنشاء دائرة صغيرة تتكون من طبقة 40 نانومتر من رقائق جزيئية وطبقة ذهبية وقرص نانو مملوء بالذهب وأكسيد إنديوم قصدير. أدناه.
أثناء تطبيق الجهد السالب على الجهاز ، رأى سريدوش ملف الجهد الحالي الذي لم يره أحد من قبل. على عكس حافظات أكسيد المعادن التي تنتقل من المعدن إلى العازل بجهد ثابت ، يمكن للأجهزة الجزيئية العضوية التبديل ذهابًا وإيابًا بعدة جهد متسلسل منفصل من عازل إلى موصل.
“لذا ، إذا كنت تفكر في الجهاز على أنه مفتاح تشغيل-إيقاف ، فعند مسح الجهد الكهربائي سالبًا جدًا ، يتم تشغيل الجهاز أولاً ، ثم إيقاف تشغيله ، ثم تشغيله ، ثم تشغيله ثم إعادة تشغيله. قال فينكاتيش: “نقول أننا طردنا من مقعدنا. علينا أن نقنع أنفسنا أن ما نراه حقيقي”.
استكشف سريدوش وسريبرادا الآليات الجزيئية القائمة على سلوك التحول المهتم باستخدام تقنية تصوير تسمى مطيافية رامان. على وجه الخصوص ، بحثوا عن التوقيعات الطيفية على الحركة الاهتزازية لجزيء عضوي يمكن أن تفسر العديد من التغييرات. محو الجهد السلبي الناتج عن التخفيض المستمر أو أحداث استقبال الإلكترون للأوتار في الجزيء ، مما تسبب في الانتقال بين الحالة الخارجة عن الحالة والجزيء.
بعد ذلك ، لوصف ملف تعريف الجهد الحالي الأكثر تعقيدًا للجهاز الجزيئي رياضيًا ، انحرف ويليامز عن النهج التقليدي للمعادلات الأساسية القائمة على الفيزياء. بدلاً من ذلك ، وصف سلوك الجزيئات باستخدام خوارزمية شجرة الخاتمة مع عبارات التعليمات البرمجية الشائعة “if-then-else” في العديد من برامج الكمبيوتر ، وخاصة الألعاب الرقمية.
قال ويليامز: “ألعاب الفيديو لها هيكل حيث يكون لديك شخصية تقوم بشيء ما ونتيجة لذلك يحدث شيء ما. لذا ، إذا قمت بكتابتها في خوارزمية كمبيوتر ، فهي عبارة عن عبارات مختلفة”. “هنا ، يتحول الجزيء إلى وضع الإيقاف نتيجة للجهد المطبق ، وذلك عندما حصلت على لحظة يوريكا لاستخدام الأشجار لأقرر وصف هذه الأجهزة ، وقد نجح الأمر.”
لكن الباحثين ذهبوا خطوة أخرى إلى الأمام باستخدام هذه الأجهزة الجزيئية لتشغيل برامج لمختلف المهام الحسابية في العالم الحقيقي. أظهر Sreedosh في وضع الاختبار أن أجهزتهم يمكنها إجراء حسابات معقدة للغاية في وقت واحد ، وكان من المقرر أن تقوم بمهمة أخرى مرة أخرى في الثانية التالية.
قال سريدوش: “إنه أمر غير معتاد للغاية ؛ يقوم جهازنا بشيء مشابه لما يفعله الدماغ ، ولكن بطريقة مختلفة تمامًا”. وبالمثل ، يمكننا بشكل منطقي إعادة ترتيب أجهزتنا أو إعادة ترتيبها من خلال منحها نبضة جهد مختلفة عما رأيناه من قبل.
وأشار فينكاتيش إلى أن آلاف الترانزستورات يجب أن تؤدي نفس الوظائف الحسابية بأحد أجهزتها الجزيئية بنتائج مختلفة. لذلك ، يمكن استخدام تقنيتهم أولاً في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الاستشعار والتطبيقات الأخرى التي تكون فيها الطاقة منخفضة ، على حد قوله.
ملاحظة: “أشجار القرار داخل الذاكرة الجزيئية” سريدوش جوسوامي ، راجيف براهمانيك ، أبهيجيت باترا ، شانتي براساد راث ، مارتن فولتين ، أرياندو ، داميان طومسون ، د. فينكاتيش وسريبرادا جوسوامي ور. ستانلي ويليامز ، 1 سبتمبر 2021 ، طبيعي >> صفة.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0
ومن الذين ساهموا في البحث الدكتور أبهيجيت بهادرا والدكتور أرياندو من جامعة سنغافورة الوطنية. راجيف براهمانيك والدكتور شانثي براساد راث من الجمعية الهندية للزراعة العلمية ؛ مارتن فولدين من Hewlett Packard Enterprise، Colorado؛ والدكتور داميان طومسون من جامعة ليمريك بأيرلندا.
Venkatesh يمثل هذا البحث الاكتشافات المستقبلية من هذا الفريق المشترك ، والذي يتضمن مركز علوم وهندسة النانو في المعهد الهندي للعلوم وقسم النظم الدقيقة وتكنولوجيا النانو في NIST.
تم دعم هذا البحث المتنوع والمتعدد الجنسيات من قبل مؤسسة الأبحاث الوطنية في سنغافورة في إطار برامج بحث تنافسية ؛ مجلس بحوث العلوم والهندسة ، الهند ؛ برنامج X-Grant للصندوق الخاص للرئيس في Texas A&M ؛ العلوم والتكنولوجيا والبحوث ، سنغافورة ، في إطار منحة البحث الشخصي للإنتاج المتقدم والهندسة ؛ تمويل البدء في جامعة CQRT في أوكلاهوما ؛ ومؤسسة العلوم ، أيرلندا.
