Dans une découverte publiée dans la revue La nature, une équipe internationale de chercheurs a décrit un nouveau dispositif moléculaire doté de prouesses informatiques exceptionnelles.
Rappelant la plasticité des connexions dans le cerveau humain, l’appareil peut être reconfiguré à la volée pour différentes tâches de calcul en modifiant simplement les tensions appliquées. De plus, comme les cellules nerveuses peuvent stocker des souvenirs, le même appareil peut également conserver des informations pour une récupération et un traitement futurs.
« Le cerveau a la capacité remarquable de modifier son câblage en établissant et en rompant les connexions entre les cellules nerveuses. Atteindre quelque chose de comparable dans un système physique a été extrêmement difficile », a déclaré le Dr R. Stanley Williams, professeur au département de génie électrique et informatique de la Texas A&M University. “Nous avons maintenant créé un dispositif moléculaire avec une reconfigurabilité spectaculaire, qui est obtenue non pas en changeant les connexions physiques comme dans le cerveau, mais en reprogrammant sa logique.”
Dr T. Venkatesan, directeur du Center for Quantum Research and Technology (CQRT) de l’Université de l’Oklahoma, affilié scientifique à l’Institut national des normes et de la technologie de Gaithersburg et professeur adjoint d’ingénierie électrique et informatique à l’Université nationale de Singapour , a ajouté que leur dispositif moléculaire pourrait à l’avenir aider à concevoir des puces de traitement de nouvelle génération avec une puissance et une vitesse de calcul améliorées, mais en consommant considérablement moins d’énergie.
Qu’il s’agisse de l’ordinateur portable familier ou d’un superordinateur sophistiqué, les technologies numériques sont confrontées à un ennemi commun, le goulot d’étranglement de von Neumann. Ce retard dans le traitement informatique est une conséquence des architectures informatiques actuelles, dans lesquelles la mémoire, contenant des données et des programmes, est physiquement séparée du processeur. Par conséquent, les ordinateurs passent beaucoup de temps à faire la navette entre les deux systèmes, ce qui provoque le goulot d’étranglement. De plus, malgré des vitesses de processeur extrêmement rapides, ces unités peuvent rester inactives pendant de longues périodes pendant les périodes d’échange d’informations.
En tant qu’alternative aux pièces électroniques conventionnelles utilisées pour la conception d’unités de mémoire et de processeurs, les dispositifs appelés memristors offrent un moyen de contourner le goulot d’étranglement de von Neumann. Les memristors, tels que ceux constitués de dioxyde de niobium et de dioxyde de vanadium, passent d’un isolant à un conducteur à une température définie. Cette propriété donne à ces types de memristors la possibilité d’effectuer des calculs et de stocker des données.
Cependant, malgré leurs nombreux avantages, ces memristors à oxyde métallique sont constitués d’éléments de terres rares et ne peuvent fonctionner que dans des régimes de température contraignants. Par conséquent, il y a eu une recherche continue de molécules organiques prometteuses qui peuvent remplir une fonction memristive comparable, a déclaré Williams.
Le Dr Sreebrata Goswami, professeur à l’Association indienne pour la culture de la science, a conçu le matériel utilisé dans ce travail. Le composé a un métal central atome (fer) lié à trois molécules organiques phényl azo pyridine appelées ligands.
“Cela se comporte comme une éponge d’électrons qui peut absorber jusqu’à six électrons de manière réversible, ce qui entraîne sept états redox différents”, a déclaré Sreebrata. “L’interconnectivité entre ces états est la clé de la reconfigurabilité montrée dans ce travail.”
Le Dr Sreetosh Goswami, chercheur à l’Université nationale de Singapour, a conçu ce projet en créant un petit circuit électrique composé d’une couche de 40 nanomètres de film moléculaire prise en sandwich entre une couche d’or sur le dessus et un nanodisque infusé d’or et d’oxyde d’indium et d’étain au fond.
En appliquant une tension négative sur l’appareil, Sreetosh a été témoin d’un profil courant-tension qui ne ressemblait en rien à ce que quiconque avait vu auparavant. Contrairement aux memristors à oxyde métallique qui peuvent passer du métal à l’isolant à une seule tension fixe, les dispositifs moléculaires organiques pourraient passer d’isolant à conducteur à plusieurs tensions séquentielles discrètes.
« Donc, si vous considérez l’appareil comme un interrupteur marche-arrêt, alors que nous balayions la tension de manière plus négative, l’appareil est d’abord passé de marche à arrêt, puis de marche à marche, puis de marche à arrêt, puis de nouveau à marche. Je dirai que nous avons été soufflés de notre siège », a déclaré Venkatesan. « Nous avons dû nous convaincre que ce que nous voyions était réel. »
Sreetosh et Sreebrata ont étudié les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le curieux comportement de commutation à l’aide d’une technique d’imagerie appelée spectroscopie Raman. En particulier, ils ont recherché des signatures spectrales dans le mouvement vibrationnel de la molécule organique qui pourraient expliquer les multiples transitions. Leur enquête a révélé que le balayage de la tension négative a déclenché une série d’événements de réduction, ou de gain d’électrons, qui ont provoqué la transition de la molécule entre l’état désactivé et l’état activé.
Ensuite, pour décrire mathématiquement le profil courant-tension extrêmement complexe du dispositif moléculaire, Williams s’est écarté de l’approche conventionnelle des équations basées sur la physique de base. Au lieu de cela, il a décrit le comportement des molécules à l’aide d’un algorithme d’arbre de décision avec des instructions « if-then-else », une ligne de code courante dans plusieurs programmes informatiques, en particulier les jeux numériques.
« Les jeux vidéo ont une structure où vous avez un personnage qui fait quelque chose, puis quelque chose se produit en conséquence. Et donc, si vous écrivez cela dans un algorithme informatique, ce sont des déclarations if-then-else », a déclaré Williams. “Ici, la molécule passe de l’état allumé à l’autre en raison de la tension appliquée, et c’est à ce moment-là que j’ai eu le moment eurêka d’utiliser des arbres de décision pour décrire ces dispositifs, et cela a très bien fonctionné.”
Mais les chercheurs sont allés plus loin en exploitant ces dispositifs moléculaires pour exécuter des programmes pour différentes tâches de calcul du monde réel. Sreetosh a montré expérimentalement que leurs appareils pouvaient effectuer des calculs assez complexes en un seul pas de temps, puis être reprogrammés pour effectuer une autre tâche l’instant suivant.
« C’était assez extraordinaire ; notre appareil faisait quelque chose comme ce que fait le cerveau, mais d’une manière très différente », a déclaré Sreetosh. « Lorsque vous apprenez quelque chose de nouveau ou lorsque vous prenez une décision, le cerveau peut en fait reconfigurer et modifier le câblage physique. De même, nous pouvons logiquement reprogrammer ou reconfigurer nos appareils en leur donnant une impulsion de tension différente de celle qu’ils ont vue auparavant.
Venkatesan a noté qu’il faudrait des milliers de transistors pour exécuter les mêmes fonctions de calcul que l’un de leurs dispositifs moléculaires avec ses différents arbres de décision. Par conséquent, il a déclaré que leur 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.
Référence : « Arbres de décision au sein d’un memristor moléculaire » par Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami et R. Stanley Williams, 1er septembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03748-0
Les autres contributeurs à la recherche incluent le Dr Abhijeet Patra et le Dr Ariando de l’Université nationale de Singapour; Dr Rajib Pramanick et Dr Santi Prasad Rath de l’Association indienne pour la culture de la science ; le Dr Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Colorado ; et le Dr Damien Thompson de l’Université de Limerick, en Irlande.
Venkatesan a déclaré que cette recherche est révélatrice des futures découvertes de cette équipe collaborative, qui comprendra le centre de nanosciences et d’ingénierie de l’Institut indien des sciences et la division des microsystèmes et de la nanotechnologie du NIST.
Cette recherche multidisciplinaire et multinationale a été soutenue par la Fondation nationale de recherche de Singapour dans le cadre des programmes de recherche concurrentiels ; Conseil de recherche scientifique et technique, Inde ; le programme X-Grants du President’s Excellence Fund de Texas A&M ; Science, technologie et recherche, Singapour, dans le cadre de sa subvention de recherche individuelle en fabrication et ingénierie de pointe ; fonds de démarrage à l’Université CQRT de l’Oklahoma ; et la Science Foundation, Irlande.
