Залізяка зі свідомістю. Учені виявили матеріал, який спонукатиме до революції у сфері напівпровідників

Скло, яке пам’ятає

У новому дослідженні вчених із Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) ідеться про діоксид ванадію (VO2), — неорганічну сполуку у вигляді чорно-синіх кристалів, яку використовують у деяких терморезисторах, а також як скляне покриття для блокування інфрачервоного випромінювання.

Швейцарські електротехніки з’ясували, що ця сполука може «запам’ятовувати» попередні зовнішні стани залежно від умов довкілля.

Учені припускають, що ця особливість матеріалу дозволить використовувати його у новому поколінні електронних пристроїв. Зокрема, для обробки та зберігання даних.

«Ці скляні функціональні пристрої можуть перевершити звичайну електронну схему метал-оксид-напівпровідник із погляду швидкості, енергоспоживання та мініатюризації, а також забезпечити шлях до нейроморфних обчислень і багаторівневої пам’яті», — заявив провідний автор дослідження Мохаммад Самізаде Ніку.

Останніми роками діоксид ванадію все частіше пропонують використовувати за альтернативу кремнію при виробництві низки електронних пристроїв.

Справа в тому, що до температурного порогу в 68 градусів за Цельсієм ця сполука поводиться як ізолятор, а вище цього порогу діоксид ванадію стає металом із дуже хорошою провідністю.

Так званий «перехід ізолятор-метал» відбувається через зміну ґратчастої структури атомів VO2.

У новому дослідженні вчені зі Швейцарії виявили, що сполука не тільки може повертатися у вихідний стан, а й запам’ятовує свою нещодавню активність.

Під час експериментів із упливом електричного струму на матеріал електротехніки помітили, що після кількох змін стану поспіль діоксид ванадію запам’ятовує фазові переходи та може передбачати їх.

«Ми не очікували побачити такий ефект пам’яті, і він не має нічого спільного з електронними станами, а скоріше з фізичною структурою матеріалу. Це нове відкриття: жоден інший матеріал не поводиться таким чином», — пояснив інженер-електрик Елісон Матіолі з EPFL.

Учені дійшли висновку, що VO2 може зберігати інформацію про останню зміну стану не менше трьох годин. Матіолі припускає, що цей період може бути набагато тривалішим, але поки автори відкриття не мають наукових інструментів для того, щоб перевірити це.

Шлях до робіт зі свідомістю

Дослідники вважають, що процес зміни та запам’ятовування станів VO2 схожий на роботу нейронів мозку, які також виконують функцію обробки та зберігання інформації.

Ураховуючи цю особливість, інженери планують розробити на основі діоксиду ванадію перший високошвидкісний, об'ємний і масштабовуваний нейроморфний процесор, який працюватиме за аналогією з біологічними нервовими клітинами мозку живого організму.

У 2018 році вчені з EPFL отримали 3,9 млн євро від уряду ЄС для розробки перспективних додатків на основі нової технології.

Цим напівпровідником також зацікавилися компанії Thales of France і швейцарське відділення IBM Research, а також кілька університетів, включно з Інститутом фізики Товариства Макса Планка у Німеччині та Кембриджським університетом у Великій Британії.

Станом на тепер нейроморфні процесори на основі VO2 є одним із найперспективніших напрямів для розробки пристроїв зв’язку з космічними апаратами, а також автономних систем керування автомобілями.

Подальші дослідження дозволять розвинути можливості застосування цього матеріалу в електронних пристроях із надмалим енергоспоживанням.

У 2018 році вчені з Манчестерського університету також запустили найпотужніший нейроморфний суперкомп’ютер SpiNNaker (Spiking Neural Network Architecture). В основі пристрою лежать понад мільйон процесорів загальною вартістю майже $20 млн.

Головне завдання цього комп’ютера — моделювання роботи людського мозку. На основі результатів обчислень SpiNNaker учені планували розробляти найпотужніші нейронні мережі.

Суперкомп’ютер також може відтворювати базальні ганглії (ядра) — ділянки мозку, які зазнають ураження при хворобі Паркінсона. Це може допомогти у фармацевтичних дослідженнях і пошуках ліків для невиліковних хвороб.

«Ми не до кінця розуміємо функцію основної кортикальної мікросхеми, хоча тепер ми можемо її змоделювати, і ці моделі відтворюють дані, що піддаються біологічній перевірці. Тепер нам потрібні теорії про те, що робить схема і як вона це робить, аби ми могли використовувати нові моделі для перевірки», — заявляв нещодавно керівник проєкту SpiNNaker професор Стів Фербер.

За його словами, зараз нейроморфний суперкомп’ютер перебуває на самому початку свого шляху, і найближчим часом його планують використовувати для створення роботизованих пристроїв із більшим рівнем поінформованості про навколишнє середовище та більшим рівнем взаємодії з цим середовищем.