En lillebitte maskine:Ingeniører designer en uendelig lille computerenhed

I 1959, den berømte fysiker Richard Feynman, i hans foredrag "Mass af plads i bunden, " talte om en fremtid, hvor små maskiner kunne udføre store bedrifter. Som mange fremadrettede koncepter, hans molekyle og atomstore verden forblev i årevis inden for science fiction.

Og så, videnskabsmænd og andre kreative tænkere begyndte at realisere Feynmans nanoteknologiske visioner.

I ånden af ​​Feynmans indsigt, og som svar på de udfordringer, han stillede som en måde at inspirere videnskabelig og teknisk kreativitet, elektriske og computeringeniører ved UC Santa Barbara har udviklet et design til en funktionel nanoskala computerenhed. Konceptet involverer en tæt, tredimensionelt kredsløb, der opererer på en ukonventionel type logik, der kunne, teoretisk set, pakkes ind i en blok, der ikke er større end 50 nanometer på nogen side.

"Nye computerparadigmer er nødvendige for at følge med efterspørgslen efter hurtigere, mindre og mere energieffektive enheder, " sagde Gina Adam, postdoc-forsker ved UCSB's Institut for Datalogi og hovedforfatter til papiret "Optimeret statistisk materialeimplikationslogik for tredimensionel datamanipulation, " offentliggjort i tidsskriftet Nano forskning . "På en almindelig computer, databehandling og hukommelseslagring er adskilt, hvilket bremser beregningen. Behandling af data direkte inde i en tredimensionel hukommelsesstruktur ville gøre det muligt at lagre og behandle flere data meget hurtigere."

Mens bestræbelserne på at formindske computerenheder har været i gang i årtier – faktisk, Feynmans udfordringer, som han præsenterede dem i sit foredrag fra 1959, er blevet mødt - videnskabsmænd og ingeniører fortsætter med at skabe plads i bunden til endnu mere avanceret nanoteknologi. En 8-bit adder i nanoskala, der fungerer i en dimension på 50 x 50 x 50 nanometer, fremsat som en del af den aktuelle Feynman Grand Prize-udfordring af Foresight Institute, er endnu ikke opnået. Imidlertid, den fortsatte udvikling og fremstilling af gradvist mindre komponenter bringer denne computerenhed i virusstørrelse tættere på virkeligheden, sagde Dmitri Strukov, en UCSB professor i datalogi.

"Vores bidrag er, at vi forbedrede de specifikke funktioner i den logik og designede den, så den kunne bygges i tre dimensioner, " han sagde.

Nøglen til denne udvikling er brugen af ​​et logisk system kaldet materialimplikationslogik kombineret med memristorer - kredsløbselementer, hvis modstand afhænger af de seneste ladninger og retningerne af de strømme, der har strømmet gennem dem. I modsætning til den konventionelle computerlogik og kredsløb, der findes i vores nuværende computere og andre enheder, i denne form for computere, logisk drift og informationslagring sker samtidigt og lokalt. Dette reducerer i høj grad behovet for komponenter og plads, der typisk bruges til at udføre logiske operationer og til at flytte data frem og tilbage mellem drift og hukommelseslagring. Resultatet af beregningen gemmes straks i et hukommelseselement, som forhindrer tab af data i tilfælde af strømafbrydelser - en kritisk funktion i autonome systemer såsom robotteknologi.

Ud over, forskerne omkonfigurerede memristorens traditionelt todimensionelle arkitektur til en tredimensionel blok, som derefter kunne stables og pakkes i den plads, der kræves for at møde Feynman Grand Prize Challenge.

"Tidligere grupper viser, at individuelle blokke kan skaleres til meget små dimensioner, lad os sige 10 x 10 nanometer, sagde Strukov, som arbejdede i teknologivirksomheden Hewlett-Packards laboratorier, da de fremskyndede udviklingen af ​​memristorer og logik for materielle implikationer. Ved at anvende disse resultater på sin gruppes udvikling, han sagde, udfordringen kunne sagtens løses.

De små memristorer bliver stærkt forsket i den akademiske verden og i industrien for deres lovende anvendelser i hukommelseslagring og neuromorfisk databehandling. Mens implementeringer af materiel implikationslogik er ret eksotiske og endnu ikke mainstream, brug for det kan dukke op når som helst, især i energiknappe systemer såsom robotteknologi og medicinske implantater.

"Da denne teknologi stadig er ny, mere forskning er nødvendig for at øge dets pålidelighed og levetid og for at demonstrere tredimensionelle kredsløb i stor skala, der er tæt pakket i snesevis eller hundredvis af lag, " sagde Adam.