Forskere afslører hemmeligheder ved at designe hjernelignende enheder

Selv med årtiers uovertruffen udvikling inden for computerkraft, den menneskelige hjerne har stadig mange fordele i forhold til moderne computerteknologier. Vores hjerner er ekstremt effektive til mange kognitive opgaver og adskiller ikke hukommelse og computing, i modsætning til almindelige computerchips.

I det sidste årti, det nye paradigme for neuromorfe computing er dukket op, inspireret af neurale netværk i hjernen og baseret på energieffektiv hardware til informationsbehandling.

For at skabe enheder, der efterligner, hvad der sker i vores hjernens neuroner og synapser, forskere har brug for at overvinde en grundlæggende molekylær ingeniørudfordring:hvordan man designer enheder, der udviser kontrollerbar og energieffektiv overgang mellem forskellige resistive tilstande udløst af indkommende stimuli.

I en nylig undersøgelse, forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago var i stand til at forudsige designregler for sådanne enheder.

Udgivet 10. november i npj Computational Materials , undersøgelsen forudsagde nye måder at konstruere og udløse ændringer i elektroniske egenskaber i flere klasser af overgangsmetaloxider, som kunne bruges til at danne grundlag for neuromorfe computingarkitekturer.

"Vi brugte kvantemekaniske beregninger til at opklare overgangsmekanismen, fremhæver præcis, hvordan det sker i atomistisk skala, "sagde Giulia Galli, Liew Family Professor hos Pritzker Molecular Engineering, professor i kemi, og medforfatter af undersøgelsen. "Vi udarbejdede yderligere en model til at forudsige, hvordan vi kan udløse overgangen, viser god overensstemmelse med tilgængelige målinger. "

Virkningen af ​​fejl på elektroniske ejendomme

Forskerne undersøgte oxidmaterialer, der viser en ændring af elektroniske egenskaber fra et metal - der leder elektricitet - til en isolator - som ikke lader elektricitet passere igennem - med forskellige koncentrationer af defekter. Defekter kan mangle atomer eller urenheder, der erstatter atomerne i en perfekt krystal.

For at forstå, hvordan defekter ændrer materialets tilstand fra et metal til en isolator, forfatterne beregnede den elektroniske struktur ved forskellige defektkoncentrationer ved hjælp af metoder baseret på kvantemekanik.

"Forstå den indviklede indbyrdes afhængighed af afgiften for disse defekter, måden atomer omarrangerer i materialet og måden spinegenskaber varierer på er afgørende for at kontrollere og i sidste ende udløse den ønskede overgang, "sagde Shenli Zhang, en postdoktor i UChicago og første forfatter til papiret.

"Sammenlignet med traditionelle halvledere, oxidmaterialerne, vi undersøgte, kræver meget mindre energi for at skifte mellem to helt forskellige tilstande:fra et metal til et isolator, "Zhang fortsatte." Denne funktion gør disse materialer lovende kandidater til at blive brugt som kunstige neuroner eller kunstige synapser til neuromorfe arkitekturer i stor skala. "

Studiet, udgivet af Zhang og Galli, blev udført inden for Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (QMEENC) forskningscenter, som er finansieret af Department of Energy og ledet af Prof. Ivan Schuller ved UC San Diego.

"Forståelse af kvantematerialer vil give de centrale løsninger på mange videnskabelige og teknologiske problemer, herunder reduktion af energiforbruget i beregningsudstyr, "sagde Schuller." I betragtning af kompleksiteten af ​​kvantematerialer, den edisoniske tilgang til forsøg og fejl er ikke længere mulig, og kvantitative teorier er nødvendige. "

Sådanne teorier på højt niveau er beregningsmæssigt krævende og har været målet for en lang række arbejde.

"De første principper, beregninger spiller en nøglerolle i at drive den molekylære konstruktion af neuromorfe computere. Det er spændende at se de metoder, vi har udviklet i årevis, blive til virkelighed, "sagde Galli.