Kalifornijas Universitātes Sandjego pētnieki demonstrējuši veidu, kā kontrolēt eksperimentālas elektroniskas ierīces atmiņas veidošanos un dzēšanu. Elektriskā strāva maina materiāla, ko sauc par vanādija dioksīdu, uzvedību, ļaujot ietekmēt ierīces turpmāko pārslēgšanos.

Neiristors atdarina dažas nervu šūnu īpašības

Ierīce, ko dēvē par neiristoru, atdarina noteiktus bioloģisko neironu elektriskās pārslēgšanās procesus. Pētnieki atklāja, ka var ietekmēt to, vai pārslēgšanās kļūst paredzamāka vai arī ierīce atgriežas mazāk paredzamā stāvoklī.

Šis atklājums varētu palīdzēt veidot smadzeņu darbības principu iedvesmotu skaitļošanas aparatūru, kas informāciju glabā, mainoties pašas ierīces fiziskajai struktūrai. Šādas sistēmas nākotnē varētu dažas skaitļošanas un atmiņas funkcijas veikt efektīvāk nekā tradicionālās pieejas, kurās dati tiek pārvietoti starp atsevišķiem procesoriem un atmiņas blokiem.

Pētījumu vadīja fizikas profesors Oļegs Špīrko. Sandjego universitātes komanda izmantoja koherento rentgenstaru difrakciju, lai elektriskajai strāvai plūstot caur ierīci novērotu nanomēroga izmaiņas materiāla iekšienē. Tas ļāva izpētīt, kā iekšējā struktūra ietekmē ierīces pārslēgšanās uzvedību.

Vanādija dioksīda struktūras izmaiņas

Vanādija dioksīds var pāriet no elektriski izolējoša stāvokļa vadītspējīgā stāvoklī. Šo pāreju pavada materiāla struktūras pārmaiņas, tādēļ tas ir piemērots, lai pētītu elektroniskas ierīces, kas atdarina atsevišķas neironu īpašības.

Eksperimentos pētnieki analizēja, kā atkārtota elektriskā stimulācija ietekmē sīku materiāla apgabalu izvietojumu un kustību. Šos apgabalus sauc par domēniem, un tie, ierīcei pārslēdzoties starp stāvokļiem, var mijiedarboties.

Komanda identificēja procesu, ko dēvē par jamming jeb “iestrēgšanu”. Tā laikā šo apgabalu kustība kļūst arvien ierobežotāka. Domēni vairs neuzvedas neatkarīgi — to mijiedarbība sāk ierobežot veidu, kādā materiāls mainās.

Atkārtota elektriskā stimulācija, kas pārsniedza noteiktu slieksni, virzīja materiālu uz šo iestrēgušo stāvokli. Tādēļ ierīces turpmākā pārslēgšanās kļuva paredzamāka, kas liecināja: iepriekšējā elektriskā aktivitāte bija ietekmējusi tās nākotnes uzvedību.

“Atmiņu” var mainīt ar strāvas stiprumu

Pētnieki konstatēja arī pretēju efektu. Stimulācija ar mazāku strāvu varēja šo procesu mainīt, atjaunojot mazāk paredzamu pārslēgšanās stāvokli. Tādējādi ierīces atmiņai līdzīgo uzvedību bija iespējams kontrolēt ar elektriskiem ievadiem.

Eksperimenti izsekoja strukturālajām izmaiņām laika posmos, kas ilga tūkstošiem sekunžu. Tas ļāva sasaistīt ierīces elektrisko vēsturi ar pārmaiņām materiāla iekšienē.

Rezultāti piedāvā fizisku skaidrojumu tam, kā neiristors var saglabāt informāciju par iepriekšējo elektrisko aktivitāti, neizmantojot atsevišķu tradicionālu atmiņas komponentu.

Tomēr šajā gadījumā “mācīšanās” nenozīmē, ka ierīce saprot informāciju vai patstāvīgi risina uzdevumus. Ar šo jēdzienu apzīmē izmērāmas pārmaiņas pārslēgšanās uzvedībā, ko izraisījusi iepriekšēja stimulācija. Savukārt “aizmirstšana” nozīmē šo pārmaiņu apvēršanu.

Šī atšķirība ir būtiska neiromorfajai skaitļošanai, kuras mērķis ir veidot elektroniskas sistēmas, kas iedvesmotas no tā, kā neironi un sinapses apstrādā un saglabā informāciju. Ierīce, kas savu reakciju pielāgo iepriekš saņemtajiem elektriskajiem signāliem, nākotnē varētu palīdzēt radīt shēmas, kurās apvienota atmiņa un skaitļošana.

No eksperimenta līdz praktiskām shēmām vēl tāls ceļš

Pētnieki pagaidām ir demonstrējuši šo mehānismu eksperimentālā materiālu sistēmā, nevis pilnvērtīgā smadzeņu darbības principu iedvesmotā procesorā. Lai novērtētu tehnoloģijas praktisko potenciālu, būs jānoskaidro, cik uzticami uzvedību iespējams kontrolēt vairākās ierīcēs, cik ātri var mainīt atmiņas stāvokļus un vai šī pieeja praktiskās shēmās nodrošina izmērāmu enerģijas ietaupījumu.

Pētījums vienlaikus piedāvā metodi, kā izzināt saistību starp nanomēroga strukturālajām izmaiņām un elektrisko pārslēgšanos materiālos, kuros strukturālās un elektriskās pārejas ir savstarpēji saistītas. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Nature Communications.