Un dispositif reconfigurable peut simplifier la conception de circuits semi-conducteurs et améliorer la puissance et la vitesse de calcul –

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  • De nombreux dispositifs électroniques dépendent aujourd’hui de circuits logiques à semi-conducteurs basés sur des commutateurs câblés pour exécuter des fonctions logiques prédéfinies. Des physiciens de l’Université nationale de Singapour (NUS), en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs, ont développé un nouveau memristor moléculaire, ou dispositif de mémoire électronique, doté d’une reconfigurabilité exceptionnelle de la mémoire.

    Contrairement aux circuits standard câblés, le dispositif moléculaire peut être reconfiguré à l’aide d’une tension pour intégrer différentes tâches de calcul. La nouvelle technologie écoénergétique, capable d’améliorer la puissance et la vitesse de calcul, peut potentiellement être utilisée dans l’informatique de pointe, ainsi que dans les appareils portables et les applications avec des ressources énergétiques limitées.

    “Ce travail est une percée significative dans notre quête de conception de calculs à faible consommation d’énergie. L’idée d’utiliser plusieurs commutations dans un seul élément s’inspire du fonctionnement du cerveau et réinvente fondamentalement la stratégie de conception d’un circuit logique”, a déclaré le professeur agrégé Ariando du département de physique de la NUS qui a dirigé la recherche.

    La recherche a été publiée pour la première fois dans la revue La nature le 1er septembre 2021, et réalisée en collaboration avec l’Association indienne pour la culture de la science, Hewlett Packard Enterprise, l’Université de Limerick, l’Université de l’Oklahoma et la Texas A&M University.

    Une technologie inspirée du cerveau

    “Cette nouvelle découverte peut contribuer aux développements de l’informatique de pointe en tant qu’approche informatique sophistiquée en mémoire pour surmonter le goulot d’étranglement de von Neumann, un retard dans le traitement informatique observé dans de nombreuses technologies numériques en raison de la séparation physique du stockage en mémoire du processeur d’un appareil”, a déclaré le professeur Assoc Ariando. Le nouveau dispositif moléculaire a également le potentiel de contribuer à la conception de puces de traitement de prochaine génération avec une puissance et une vitesse de calcul améliorées.

    “Semblable à la flexibilité et à l’adaptabilité des connexions dans le cerveau humain, notre dispositif de mémoire peut être reconfiguré à la volée pour différentes tâches de calcul en modifiant simplement les tensions appliquées. De plus, comme la façon dont les cellules nerveuses peuvent stocker des souvenirs, le même dispositif peut également conserver des informations pour une récupération et un traitement futurs », a déclaré le premier auteur, le Dr Sreetosh Goswami, chercheur au département de physique de la NUS.

    Membre de l’équipe de recherche, le Dr Sreebrata Goswami, qui était chercheur scientifique principal à la NUS et précédemment professeur à l’Association indienne pour la culture de la science, a conceptualisé et conçu un système moléculaire appartenant à la famille chimique des phényl azo pyridines qui ont un atome de métal central lié à des molécules organiques appelées ligands. “Ces molécules sont comme des éponges d’électrons qui peuvent offrir jusqu’à six transferts d’électrons résultant en cinq états moléculaires différents. L’interconnectivité entre ces états est la clé de la reconfigurabilité de l’appareil”, a expliqué le Dr Sreebrata Goswami.

    Le Dr Sreetosh Goswami a créé un minuscule circuit électrique composé d’une couche de 40 nanomètres de film moléculaire prise en sandwich entre une couche supérieure d’or et une couche inférieure de nanodisque infusé d’or et d’oxyde d’indium et d’étain. Il a observé un profil courant-tension sans précédent lors de l’application d’une tension négative à l’appareil. Contrairement aux memristors à oxyde métallique conventionnels qui sont allumés et éteints à une seule tension fixe, ces dispositifs moléculaires organiques pourraient basculer entre des états marche-arrêt à plusieurs tensions séquentielles discrètes.

    En utilisant une technique d’imagerie appelée spectroscopie Raman, des signatures spectrales dans le mouvement vibrationnel de la molécule organique ont été observées pour expliquer les multiples transitions. Le Dr Sreebrata Goswami a expliqué: “Le balayage de la tension négative a déclenché une série de réductions ou de gain d’électrons sur les ligands de la molécule, ce qui a provoqué la transition de la molécule entre les états éteint et allumé.”

    Les chercheurs ont décrit le comportement des molécules à l’aide d’un algorithme d’arbre de décision avec des instructions « if-then-else », qui est utilisé dans le codage de plusieurs programmes informatiques, en particulier des jeux numériques, par rapport à l’approche conventionnelle consistant à utiliser des bases physiques basées sur la physique. équations.

    De nouvelles possibilités pour des appareils économes en énergie

    S’appuyant sur leurs recherches, l’équipe a utilisé les dispositifs de mémoire moléculaire pour exécuter des programmes pour différentes tâches de calcul du monde réel. En guise de preuve de concept, l’équipe a démontré que sa technologie pouvait effectuer des calculs complexes en une seule étape et pouvait être reprogrammée pour effectuer une autre tâche l’instant suivant. Un dispositif de mémoire moléculaire individuel pourrait exécuter les mêmes fonctions de calcul que des milliers de transistors, faisant de la technologie une option de mémoire plus puissante et économe en énergie.

    “La technologie pourrait d’abord être utilisée dans des appareils portables, tels que des téléphones portables et des capteurs, et d’autres applications où la puissance est limitée”, a ajouté le professeur Assoc Ariando.

    L’équipe est en train de construire de nouveaux appareils électroniques intégrant leur innovation et travaille avec des collaborateurs pour effectuer des simulations et des analyses comparatives relatives aux technologies existantes.

    Les autres contributeurs au document de recherche incluent Abhijeet Patra et Santi Prasad Rath de NUS, Rajib Pramanick de l’Association indienne pour la culture de la science, Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Damien Thompson de l’Université de Limerick, T. Venkatesan de l’Université de Oklahoma et R. Stanley Williams de la Texas A&M University.

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