人工Nano流体突触可以存储计算内存

记忆，或者以易于访问的方式存储信息的能力，是计算机和人脑的基本操作。 一个关键的区别是，大脑信息处理涉及直接对存储的数据执行计算，而计算机则在内存单元和中央处理单元 (CPU) 之间来回传输数据。 这种低效的分离（冯诺依曼瓶颈）导致计算机能源成本不断上涨。

自 20 世纪 70 年代以来，研究人员一直致力于研究忆阻器（记忆阻力器）的概念； 一种电子元件，可以像突触一样计算和存储数据。 但洛桑联邦理工学院工程学院Nano生物学实验室 (LBEN) 的 Aleksandra Radenovic 将目光投向了更雄心勃勃的目标：一种依赖离子而不是电子及其带相反电荷的对应物（空穴）的功能性Nano流体忆阻装置。 这种方法将更接近地模仿大脑自己的、更节能的信息处理方式。

“忆阻器已被用于构建电子神经网络，但我们的目标是构建一个利用离子浓度变化的Nano流体神经网络，类似于生物体，”拉德诺维奇说。

LBEN 博士后研究员 Théo Emmerich 表示：“我们制造了一种用于内存应用的新型Nano流体设备，它比以前的尝试具有更大的可扩展性和更高的性能。” “这使我们第一次能够连接两个这样的‘人工突触’，为受大脑启发的流动性硬件的设计铺平了道路。”

该研究最近发表在《自然电子学》杂志上。

就加水

忆阻器可以通过操纵施加的电压在两种电导状态（开和关）之间切换。 电子忆阻器依靠电子和空穴来处理数字信息，而 LBEN 的忆阻器可以利用一系列不同的离子。 在他们的研究中，研究人员将他们的设备浸入含有钾离子的电解质水溶液中，但也可以使用其他离子，包括钠和钙。

“我们可以通过改变我们使用的离子来调整设备的内存，这会影响它从打开到关闭的方式，或者它存储的内存量，”艾默里奇解释道。

该设备是在洛桑联邦理工学院微Nano技术中心的芯片上制造的，方法是在氮化硅膜的中心创建一个Nano孔。 研究人员添加了钯和石墨层来创建离子Nano通道。 当电流流过芯片时，离子渗透通过通道并聚集在孔隙处，它们的压力在芯片表面和石墨之间产生气泡。 当石墨层被水泡迫使向上时，该设备变得更加导电，将其存储状态切换为“开启”。 由于石墨层保持升起状态，即使没有电流，该设备也会“记住”其之前的状态。 负电压使各层重新接触，将存储器重置为“关闭”状态。

LBEN 博士生 Yunfei Teng 表示：“大脑中的离子通道在突触内经历结构变化，因此这也模仿了生物学。”他致力于制造这种设备，根据离子的形状，该设备被称为高度不对称通道 (HAC)。流向中央孔隙。

LBEN 博士生 Nathan Ronceray 补充道，该团队对 HAC 记忆行为的实时观察也是该领域的一项新颖成就。 “因为我们正在处理一种全新的记忆现象，所以我们建造了一台显微镜来观察它的运作。”

通过与Andras Kis领导的Nano电子与结构实验室的Riccardo Chiesa和Edoardo Lopriore合作，研究人员成功地将两个HAC与一个电极连接起来，形成基于离子流的逻辑电路。 这一成就代表了基于类突触离子器件的数字逻辑运算的首次演示。 但研究人员并没有就此止步：他们的下一个目标是将 HAC 网络与水道连接起来，以创建全流动性回路。 除了提供内置冷却机制之外，水的使用还将促进生物相容性设备的开发，这些设备在脑机接口或神经医学方面具有潜在的应用。