Учёные разработали молекулярные устройства, способные переключаться между ролями, выступая в качестве памяти, логики или обучающихся элементов в пределах одной и той же структуры. Прорыв заключается в высокоточном химическом дизайне, позволяющем электронам и ионам осуществлять динамическую реорганизацию. В отличие от традиционной электроники, эти устройства не просто имитируют разум, но кодируют его физическим образом. Этот подход может переформатировать то, как будет проектироваться аппаратное обеспечение искусственного интеллекта в будущем.
В течение более 50 лет учёные ищут альтернативу кремнию в качестве основополагающего материала электронных устройств, построенных из молекул. Хотя концепция сама по себе была привлекательной, на практике прогресс оказался куда труднее. Молекулы внутри реальных устройств не работают как простые изолированные компоненты. Вместо этого они тесным образом взаимодействуют друг с другом, в то время как двигаются электроны, перемещаются ионы, меняются межфазные поверхности и даже незначительные изменения структуры могут приводить к весьма нелинейным реакциям. Хотя потенциал молекулярной электроники был очевиден, надёжное прогнозирование их поведения и контроль над ним оставались недосягаемыми.
В то же время, нейроморфные вычисления — инспирированное мозгом аппаратное обеспечение — преследуют ту же цель. Задача состоит в том, чтобы найти материал, способный хранить информацию, производить вычисления и адаптироваться в пределах одной и той же физической структуры и делать это в режиме реального времени. Однако, сегодняшние ведущие нейроморфные системы, зачастую базирующиеся на оксидных материалах и волокнообразных переключениях, до сих пор функционируют как тщательно спроектированные машины, имитирующие обучение, а не как материалы, которым оно естественным образом присуще.
Два пути начинают сходиться
Новое исследование от Индийского научного института предполагает, что, вероятно, эти два многолетних усилия, наконец, объединяются.
В совместной работе, где сходятся химия, физика и электронная инженерия, группа учёных под руководством Сритоша Госвами, адъюнкт-профессора Центра нанонауки и инжиниринга (CeNSE), разработала крохотные молекулярные устройства, поведение которых можно настраивать несколькими способами. В зависимости от типа стимуляции, одно и то же устройство может работать в качестве элемента памяти, логического вентиля, селекторного переключателя, аналогового процессора или электронного синапса. «На таком уровне в электронных материалах адаптивность встречается редко, — говорит Сритош Госвами. — Здесь пересекаются химический дизайн и вычисления, не в качестве аналогии, а в качестве действующего принципа».
Каким образом химия способствует многофункциональности
Эта гибкость достигается благодаря специфике химии, используемой при конструировании и юстировке устройств. Исследователи синтезировали 17 тщательно спроектированных соединений рутения и изучили, каким образом небольшие изменения формы молекул и окружающей ионной среды влияют на поведение электронов. Регулируя лиганды и ионы, расположенные вокруг молекул рутения, они показали, что одно устройство может демонстрировать множество различных динамических реакций. Сюда входят переходы между цифровым и аналоговым режимом в широком спектре значений проводимости.
Молекулярный синтез осуществлялся Прадипом Гошем, Рамануджаном Феллоу и Санти Прашад Ратом. Изготовлением устройства руководил Паллави Гаур, первый автор статьи и аспирант CeNSE. «Я был удивлён тем, сколько разнообразия скрывается в одной и той же системе, — говорит Гаур. — При использовании правильно подобранной молекулярной химии и среды, одно устройство может хранить информацию, производить с ней вычисления, и даже обучаться и разучиваться. Вы не будете ожидать этого от твердотельной электроники».
Теория, объясняющая и прогнозирующая поведение
Чтобы понять, почему эти устройства ведут себя таким образом, учёным нужно было что-то такое, чего часто не хватает в молекулярной электронике: устойчивой теоретической базы. Они разработали основанную на физике многих тел и квантовой химии транспортную модель, способную предсказывать поведение устройства непосредственно по его молекулярной структуре. Используя эту схему, исследователи отследили, как электроны движутся по молекулярной плёнке, как отдельные молекулы подвергаются окислению и восстановлению и как противоионы смещаются в молекулярной матрице. Вместе взятые, эти процессы определяют модель переключений, динамику расслаблений и стабильность каждого из состояний молекул.
К обучению, встроенному в материалы
Основной результат заключается в том, что необычная адаптивность этих комплексов позволяет скомбинировать память и вычисления в одном и том же материале. Это открывает двери к нейроморфному аппаратному обеспечению, в котором обучение кодируется непосредственно в сам материал. Учёные уже работают над интеграцией этих молекулярных систем в силиконовые чипы, ставя перед собой задачу создать аппаратное ИИ-обеспечение будущего, которое экономит энергию и обладает встроенным интеллектом.
«Эта работа показывает, что химия может быть архитектором вычислений, а не только их поставщиком», — говорит Срибрата Госвами, приглашённый учёный в CeNSE и соавтор исследования, руководивший химическим дизайном.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Индийским научным институтом (IISc).
Вам также может быть интересно: