La nueva calculadora molecular tiene una reorganización sin precedentes, que recuerda a la plasticidad cerebral.

En un descubrimiento publicado en la revista Naturaleza, Un equipo internacional de investigadores ha descrito un nuevo dispositivo molecular con una potencia informática excepcional.

Un dispositivo que se asemeja a la plasticidad de las conexiones en el cerebro humano se puede reorganizar en vuelo para varias tareas computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Además, así como las células nerviosas pueden almacenar recuerdos, el mismo dispositivo puede almacenar información para su futura búsqueda y procesamiento.

«El cerebro tiene una excelente capacidad para cambiar sus cables, rompiendo las conexiones entre las células nerviosas. Fue muy difícil lograr algo en el sistema físico «, dice el Dr. R. «Ahora hemos creado un dispositivo molecular con una reorganización aguda, que se logra no cambiando las conexiones físicas como el cerebro, sino reorganizando su lógica».

El director del Centro de Investigación y Tecnología Cuántica (CQRT) de la Universidad de Oklahoma, el Dr. T. , agregó que su dispositivo molecular podría ayudar en el futuro a diseñar la próxima generación de chips de procesamiento con mayor potencia y velocidad de cómputo, pero reducir significativamente la energía.

«Ya sea una computadora portátil familiar o una supercomputadora sofisticada, la tecnología digital se enfrenta a un enemigo común, von Neumann». Este retraso en el cálculo se debe a la arquitectura actual de la computadora, en la que la memoria que contiene los programas de datos está físicamente desconectada del procesador. Como resultado, las computadoras pasan una cantidad considerable de tiempo intercambiando información entre los dos sistemas, lo que genera congestión. Además, a pesar de las velocidades de CPU extremadamente rápidas, estas unidades pueden estar inactivas durante mucho tiempo mientras intercambian información.

Como alternativa a los componentes electrónicos convencionales utilizados en el diseño de unidades de memoria և procesadores, los dispositivos llamados memistores ofrecen una forma de evitar a von Neumann. Memistores, como dióxido de niobio և dióxido de vanadio, pasan del aislante al conductor a una temperatura establecida. Esta característica le da a estos tipos de memoria la capacidad de realizar cálculos y almacenar datos.

Sin embargo, a pesar de las muchas ventajas, las memorias de este óxido metálico están hechas de elementos de tierras raras և solo puede funcionar en modos de temperatura límite. Por lo tanto, existe una búsqueda en curso de moléculas orgánicas prometedoras que puedan realizar una función de memoria comparable, dijo Williams.

El Dr. Sriebrata Goswami, profesor de la Asociación de Ciencia y Cultura de la India, diseñó el material utilizado en este trabajo. La composición tiene un metal central átomo (hierro) está unido a tres moléculas orgánicas de fenil azo piridina, llamadas ligandos.

«Se comporta como una esponja de electrones que puede absorber reversiblemente hasta seis electrones, lo que lleva a siete estados de oxidación diferentes», dijo Sriebrata. «La interconexión de estos estados es la clave para la reorganización que se muestra en este documento».

El Dr. Sritosh Goswami, investigador de la Universidad Nacional de Singapur, desarrolló el proyecto creando una pequeña conexión eléctrica que consiste en una capa de 40 nanómetros de película molecular incrustada en una capa de oro llamada nanodisco impregnado de oro llamado óxido de indio. debajo.

Mientras aplicaba voltaje negativo al dispositivo, Sritosh vio un perfil de voltaje de corriente que no era similar al que había visto antes. A diferencia de los memistores de óxido metálico, que pueden pasar a través del metal a un aislante con un solo voltaje fijo, los dispositivos moleculares orgánicos pueden pasar a través de un aislante a varios voltajes sucesivos separados.

«Entonces, si piensa en el dispositivo como un disyuntor, porque estábamos limpiando el voltaje de manera más negativa, el dispositivo primero se enchufó, luego se enchufó, luego se apagó y luego se volvió a enchufar. Diré que acabamos de levantarnos de nuestros asientos «, dijo Venkatesan. «Tuvimos que convencernos de que lo que vimos era real».

Sritosh և Sriebrata estudió los mecanismos moleculares subyacentes al extraño comportamiento de transformación utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia Raman. En particular, buscaron firmas espectrales en el movimiento vibratorio de una molécula orgánica que pudieran explicar múltiples transiciones. Su investigación mostró que los efectos negativos del voltaje provocaban que los ligandos de la molécula sufrieran una serie de reducciones o una serie de adquisiciones de electrones que llevaban a la transición de la molécula a un «estado».

A continuación, para describir matemáticamente el perfil de voltaje-corriente extremadamente complejo de un dispositivo molecular, Williams se desvió del enfoque convencional de ecuaciones basadas en la física básica. En cambio, describió el comportamiento de las moléculas usando el algoritmo del árbol de decisión, con los términos «si-entonces-no», una serie de programas de computadora comunes en varios programas de computadora, particularmente juegos digitales.

«Los videojuegos tienen una estructura en la que tienes una imagen que hace algo y, como resultado, sucede algo. «Entonces, si lo escribe en un algoritmo de computadora, esas son otras declaraciones si-entonces», dijo Williams. «Aquí la molécula se enciende y apaga con el voltaje aplicado, և ahí fue cuando tuve el momento eureka de usar estos árboles de decisión para describir estos dispositivos և funcionó muy bien».

Pero los científicos han dado un paso más al explotar estos dispositivos moleculares para implementar varias tareas computacionales del mundo real. Sritosh demostró experimentalmente que sus dispositivos podían realizar cálculos bastante complejos en un paso de tiempo y luego programarse para realizar otra tarea en el siguiente segundo.

«Fue bastante extraordinario. «Nuestro dispositivo hizo lo que hace el cerebro, pero de una manera completamente diferente», dijo Sritosh. «Cuando aprendes algo nuevo o cuando tomas una decisión, el cerebro puede realmente reorganizarse, cambiar los cables físicos que lo rodean. De la misma manera, podemos programar o reorganizar lógicamente nuestros dispositivos, dándoles un pulso de voltaje diferente al que habían visto antes ”.

Venkatesan señaló que se necesitarían miles de transistores para realizar las mismas funciones computacionales que uno de sus dispositivos moleculares con diferentes árboles de decisión. Continuó diciendo que su tecnología podría usarse principalmente en dispositivos portátiles, como teléfonos celulares, sensores y otras aplicaciones donde la energía es limitada.

Referencia. «Árboles de decisión en la memoria molecular» por Srietosh Goswami, Rajib Pramanik, Abijit Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Naturaleza:.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0:

Los otros participantes en el estudio son la Dra. Abigit Patran y la Dra. Ariandon de la Universidad Nacional de Singapur. Dr. Rajib Pramanik և Dr. Santi Prasad Rath de la Asociación de Desarrollo Científico de la India; El Dr. Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Colorado; : Dr. Damien Thompson de la Universidad de Limerick, Irlanda.

Wankatesan dijo que el estudio es un testimonio del futuro de este equipo conjunto, que incluirá el Centro de Nanociencia արտար Ingeniería և NIST del Instituto de Ciencias de la India, Departamento de Nanotecnología de Microsistemas.

Este estudio multidisciplinario ազգ multinacional fue apoyado por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur como parte de un programa de investigación competitivo. Consejo de Investigación en Ciencia e Ingeniería, India; Programa de X-Grants del Fondo de Excelencia Presidencial en Texas A&M; Ciencia, Tecnología և Investigación, Singapur, bajo su principal Beca de Investigación Individual de Ingeniería de Fabricación. Startups en CQRT University of Oklahoma; և Science Foundation, Irlanda.