Yenilikler

Yapay nanoakışkan sinapslar hesaplama belleğini saklayabilir

Bellek veya bilgiyi kolayca erişilebilir bir şekilde saklama yeteneği, bilgisayarlarda ve insan beyninde önemli bir işlemdir. Temel farklardan biri, beyindeki bilgi işlemenin doğrudan depolanan veriler üzerinde hesaplamalar yapmayı içermesi, bilgisayarların ise verileri bir bellek birimi ile merkezi işlem birimi (CPU) arasında ileri geri taşımasıdır. Bu verimsiz ayırma (von Neumann darboğazı), bilgisayarların artan enerji maliyetine katkıda bulunur.

1970’lerden beri araştırmacılar memristör (bellek direnci) kavramı üzerinde çalışıyorlar; Sinaps gibi verileri hem hesaplayabilen hem de depolayabilen elektronik bir bileşen. Ancak EPFL Mühendislik Okulu’ndaki Nano Ölçekli Biyoloji Laboratuvarı’ndan (LBEN) Aleksandra Radenoviç, gözünü daha da iddialı bir şeye dikti: elektronlar ve onların zıt yüklü muadilleri (delikler) yerine iyonlara dayanan işlevsel bir nanoakışkan hafızalı cihaz. Böyle bir yaklaşım, beynin kendi (enerji açısından çok daha verimli) bilgi işleme biçimini daha yakından taklit edecektir.

Radenovic, “Memristörler zaten elektronik sinir ağları oluşturmak için kullanılıyordu, ancak amacımız, canlı organizmalara benzer şekilde iyon konsantrasyonlarındaki değişikliklerden yararlanan nanoakışkan bir sinir ağı oluşturmaktır” diyor.

LBEN doktora sonrası araştırmacısı Théo Emmerich, “Bellek uygulamaları için önceki denemelere göre çok daha fazla ölçeklenebilir ve çok daha performanslı yeni bir nanoakışkan cihaz ürettik” diyor. “Bu, ilk kez böyle iki ‘yapay sinaps’ı birbirine bağlamamızı sağladı ve beyinden ilham alan sıvı donanım tasarımının önünü açtı.”

Araştırma yakın zamanda yayınlandı Doğa Elektroniği.

Sadece su ekleyin

Memristörler, uygulanan voltajın manipülasyonu yoluyla iki iletkenlik durumu (açık ve kapalı) arasında geçiş yapabilir. Elektronik memristörler dijital bilgiyi işlemek için elektronlara ve deliklere güvenirken, LBEN’in memristörü bir dizi farklı iyondan yararlanabilir. Araştırmacılar, çalışmaları için cihazlarını potasyum iyonları içeren bir elektrolit su çözeltisine batırdılar, ancak sodyum ve kalsiyum dahil diğerleri de kullanılabilir.

Emmerich, “Kullandığımız iyonları değiştirerek cihazımızın hafızasını ayarlayabiliriz, bu da cihazın açıktan kapalıya geçişini veya ne kadar hafıza depoladığını etkiler” diye açıklıyor.

Cihaz, EPFL’nin MikroNanoTeknoloji Merkezi’ndeki bir çip üzerinde, silikon nitrür membranın merkezinde bir nano gözenek oluşturularak üretildi. Araştırmacılar iyonlar için nano kanallar oluşturmak amacıyla paladyum ve grafit katmanları eklediler. Çip içinden bir akım akarken iyonlar kanallardan süzülür ve gözeneklerde birleşir; burada basınçları çip yüzeyi ile grafit arasında bir kabarcık oluşturur. Grafit tabakası kabarcık tarafından yukarı doğru itildikçe cihaz daha iletken hale gelir ve hafıza durumunu ‘açık’ duruma getirir. Grafit katmanı akım olmasa bile kaldırılmış durumda kaldığı için cihaz önceki durumunu ‘hatırlıyor’. Negatif bir voltaj, katmanları tekrar temasa geçirerek belleği ‘kapalı’ duruma sıfırlar.

İyonun şekline atıfta bulunarak yüksek düzeyde asimetrik kanallar (HAC’ler) olarak adlandırılan cihazların imalatında çalışan LBEN doktora öğrencisi Yunfei Teng, “Beyindeki iyon kanalları, bir sinaps içinde yapısal değişikliklere uğrar, dolayısıyla bu aynı zamanda biyolojiyi de taklit eder” diyor merkezi gözeneklere doğru akar.

LBEN doktora öğrencisi Nathan Ronceray, ekibin HAC’ın hafıza eylemini gerçek zamanlı olarak gözlemlemesinin de bu alanda yeni bir başarı olduğunu ekliyor. “Tamamen yeni bir hafıza olgusuyla uğraştığımız için, onu çalışırken izlemek için bir mikroskop yaptık.”

Araştırmacılar, Andras Kis liderliğindeki Nano Ölçekli Elektronik ve Yapılar Laboratuvarı’ndan Riccardo Chiesa ve Edoardo Lopriore ile işbirliği yaparak, iyon akışına dayalı bir mantık devresi oluşturmak için iki HAC’yi bir elektrotla bağlamayı başardılar. Bu başarı, sinaps benzeri iyonik cihazlara dayanan dijital mantık işlemlerinin ilk gösterimini temsil ediyor. Ancak araştırmacılar burada durmuyor: Bir sonraki hedefleri, tamamen sıvı devreler oluşturmak için bir HAC ağını su kanallarına bağlamak. Dahili bir soğutma mekanizması sağlamanın yanı sıra, suyun kullanımı, beyin-bilgisayar arayüzlerinde veya nörotıpta potansiyel uygulamalara sahip biyo-uyumlu cihazların geliştirilmesini kolaylaştıracaktır.

Kaynak ve İleri Okuma: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240319123015.htm

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu