دانشمندان اجزای جدید کامپیوتری را توسعه می‌دهند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲۲ آوریل ۲۰۲۳
لینک منبع: Inspired by Brain Cells: Scientists Develop Novel Computer Components

افزایش محاسبات از طریق استفاده از نانو کریستال‌های پروسکایت

با وجود پیشرفت‌های تکنولوژی، مغز انسان از جهات مختلفی نسبت به کامپیوترها برتری دارد. در حالی که رایانه‌ها می‌توانند محاسبات ریاضی را سریع‌تر از انسان‌ها انجام دهند، مغز انسان قادر است اطلاعات حسی پیچیده را پردازش کند و به راحتی با تجربیات جدید سازگار شود. این توانایی هنوز از دسترس رایانه‌ها خارج است و مغز انسان در حالی که تنها کسری از انرژی مورد نیاز یک لپ‌تاپ را مصرف می‌کند این کار را انجام می‌دهد.

ساختار مغز کمک قابل‌توجهی به بهره‌وری انرژی آن می‌کند. برخلاف رایانه‌ها، که حافظه و پردازش واحدهای جداگانه‌ای هستند و باید اطلاعات بین آن‌ها منتقل شود، نورون‌ها و سیناپس‌های مغز قادر به ذخیره و پردازش اطلاعات به‌طور هم‌زمان هستند. این امر نیاز به انتقال مداوم داده‌ها را از بین می‌برد، که می‌تواند باعث کند شدن سرعت کامپیوترها در هنگام مدیریت حجم زیادی از اطلاعات شود.

یکی از راه‌حل‌های ممکن برای این تنگنا، معماری‌های رایانه‌ای جدید است که از مغز انسان الگوبرداری می‌شوند. برای این منظور، دانشمندان در حال توسعه به اصطلاح ممریستورها هستند: اجزایی که مانند سلول‌های مغز، ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها را با هم ترکیب می‌کنند.

تیمی از محققان از آزمایشگاه‌های فدرال علوم و فناوری مواد سوئیس (Empa)،ETH زوریخ و «Politecnico di Milano» اکنون ممریستوری را توسعه داده‌اند که نسبت به پیشینیان خود قدرتمندتر و آسان‌تر ساخته می‌شود. محققان به تازگی نتایج خود را در مجله Science Advances منتشر کرده‌اند.

عملکرد از طریق رسانایی یونی و الکترونیکی مخلوط

ممریستورهای جدید بر پایه نانوکریستال‌های هالید پروسکایت، یک ماده نیمه‌رسانا شناخته شده از تولید سلول‌های خورشیدی ساخته شده‌اند. روهیت جان، همکار سابق ETH و محقق فوق‌دکترا در ETH زوریخ و امپا توضیح می‌دهد: «پروسکیت‌های هالید هم یون‌ها و هم الکترون‌ها را هدایت می‌کنند». این رسانایی دوگانه محاسبات پیچیده‌تری را امکان‌پذیر می‌کند که بسیار شبیه فرآیندهای مغز است.

محققان بخش آزمایشی این مطالعه را به‌طور کامل در Empa انجام دادند: آن‌ها ممریستورهای لایه نازک را در آزمایشگاه Thin Films و Photovoltaics ساختند و خواص فیزیکی آن‌ها را در آزمایشگاه Transport at Nanoscale Interfaces بررسی کردند. بر اساس نتایج اندازه‌گیری، آن‌ها سپس یک کار محاسباتی پیچیده را شبیه‌سازی کردند که مربوط به یک فرآیند یادگیری در قشر بینایی در مغز است. این کار شامل تعیین جهت نور بر اساس سیگنال‌های شبکیه چشم بود.

ماکسیم کووالنکو، استاد ETH زوریخ و رئیس گروه تحقیقاتی مواد معدنی کاربردی در Empa می‌گوید: «تا جایی که می‌دانیم، این دومین باری است که این نوع محاسبات روی ممریستورها انجام می‌شود. در عین حال، ساخت ممریستورهای ما بسیار ساده تر از قبل است.

این به این دلیل است که برخلاف بسیاری از نیمه‌هادی‌های دیگر، پروسکایت‌ها در دماهای پایین متبلور می‌شوند. علاوه‌بر این، ممریستورهای جدید به پیش‌شرطی پیچیده از طریق اعمال ولتاژهای خاصی که دستگاه‌های مشابه برای چنین وظایف محاسباتی نیاز دارند، نیاز ندارند. این باعث می‌شود آن‌ها سریع‌تر و انرژی کارآمدتر شوند.

مکمل به جای جایگزین کردن

با این حال، این فناوری هنوز برای استقرار کاملاً آماده نیست. سهولت ساخت ممریستورهای جدید نیز ادغام آن‌ها با تراشه‌های رایانه‌ای موجود را دشوار می‌کند: پروسکایت‌ها نمی‌توانند دمای ۴۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد را که برای پردازش سیلیکون لازم است تحمل کنند -حداقل هنوز. اما به گفته دانیله ایلمینی، استاد دانشگاه Politecnico di Milano، این ادغام کلید موفقیت فناوری‌های رایانه‌ای جدید شبیه مغز است.

او توضیح می‌دهد: «هدف ما جایگزینی معماری کلاسیک کامپیوتر نیست. در عوض، ما می‌خواهیم معماری‌های جایگزینی را توسعه دهیم که می‌توانند وظایف خاصی را سریع‌تر و با بهره‌وری انرژی بیشتر انجام دهند. برای مثال، این شامل پردازش موازی مقادیر زیادی از داده‌ها است که امروزه در همه جا تولید می‌شود، از کشاورزی گرفته تا اکتشافات فضایی.

امیدوارکننده است که مواد دیگری با خواص مشابه وجود دارد که می‌توان از آن‌ها برای ساخت ممریستورهای با کارایی بالا استفاده کرد. الساندرو میلوزی، دانشجوی دکترا در Politecnico di Milano می‌گوید: «اکنون می‌توانیم طراحی ممریستور خود را با مواد مختلف آزمایش کنیم.» کاملاً ممکن است که برخی از آن‌ها برای ادغام با سیلیکون مناسب‌تر باشند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.