26. März 2024 (Nanowerk-Scheinwerfer) Im Bereich der Informatik die Elektronik Transistor ist seit langem die vorherrschende Technologie. Seit seiner Erfindung im Jahr 1947 ist dieses winzige Gerät zur Grundlage der modernen Elektronik geworden und hat die digitale Revolution ermöglicht, die nahezu jeden Aspekt unseres Lebens verändert hat. Doch trotz seiner Allgegenwärtigkeit und seines beispiellosen Erfolgs hat der elektronische Transistor seine Grenzen. Hoher Stromverbrauch, Anfälligkeit gegenüber extremen Umweltbedingungen und mangelnde direkte Interaktion mit externen Reizen wie Hitze, Kraft und Druck haben Forscher dazu motiviert, alternative Berechnungsansätze zu erkunden. Hier kommt das mechanische Rechnen ins Spiel. Im Gegensatz zum elektronischen Rechnen beruht das mechanische Rechnen auf der physischen Manipulation von Materialien und Strukturen, um logische Operationen durchzuführen. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile, darunter einen geringeren Stromverbrauch, erhöhte Sicherheit und die Möglichkeit, in rauen Umgebungen zu arbeiten, in denen elektronische Komponenten häufig ausfallen. Darüber hinaus können mechanische Rechengeräte so konzipiert werden, dass sie direkt auf Umwelteinflüsse reagieren und diese verarbeiten, was neue Möglichkeiten für dezentrale Intelligenz und adaptive Systeme eröffnet. Trotz des Potenzials des mechanischen Rechnens wurde der Fortschritt auf diesem Gebiet durch den Ad-hoc-Charakter bestehender Designs behindert. Die meiste Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung einfacher Logikgatter, denen die für fortgeschrittenere Anwendungen erforderliche Modularität und Skalierbarkeit fehlte. Darüber hinaus sind viele mechanische Computersysteme immer noch auf manuelle Rücksetzungen oder elektrische Signale für die Ein- und Ausgabe angewiesen, was ihre Autonomie und Reaktionsfähigkeit auf die Umwelt einschränkt. Jetzt hat ein Forscherteam der Shanghai Jiao Tong University einen bedeutenden Fortschritt bei der Bewältigung dieser Herausforderungen erzielt. In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Fortgeschrittene Funktionsmaterialien („Thermisches Rechnen mit mechanischen Transistoren“) stellen sie einen neuartigen mechanischen Transistor vor, der ein temperaturempfindliches Material und eine schaltbare Struktur kombiniert. Dieses innovative Design ermöglicht den Aufbau komplexer Logikschaltungen und Speicherspeicherung, ganz ohne Strom.
Ein mechanischer Transistor für thermische Berechnungen. a) Schema eines mechanischen Transistors, bestehend aus drei Eingangsanschlüssen (i)-(iii) und einem Ausgangsanschluss zur Übertragung von Temperatursignalen, einem bistabilen Aktuator (iv) und einem von Kirigami inspirierten thermomechanischen Sensor (v), hergestellt aus einer asymmetrischen Verschiebung Verstärker aus Polycarbonat (PC) und Invarlegierung. Die Maße von L und B betragen 250 bzw. 85 mm. (Bild angepasst aus doi:10.1002/adfm.202401244 mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Der vom Forschungsteam entwickelte mechanische Transistor besteht aus drei thermischen Eingangsanschlüssen und einem thermischen Ausgangsanschluss sowie einer schaltbaren Komponente und einem temperaturempfindlichen Material . Das temperaturempfindliche Material besteht aus einer Kombination aus Polycarbonat und einer Invar-Legierung und verändert seine Form als Reaktion auf Temperaturschwankungen. Beim Erhitzen dehnt es sich aus, beim Abkühlen zieht es sich zusammen. Diese Formänderung wird verwendet, um den Zustand der schaltbaren Komponente zu steuern, die zwischen zwei stabilen Konfigurationen wechseln kann, um binäre Zustände darzustellen.
Durch die Anordnung dieser mechanischen Transistoren in verschiedenen Konfigurationen demonstrieren die Forscher die Fähigkeit, eine vollständige Reihe von Logikgattern zu konstruieren, darunter NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR und XNOR. Bemerkenswert ist, dass ein einzelner mechanischer Transistor einfach durch Neukonfiguration der thermischen Eingangsquellen so umprogrammiert werden kann, dass er verschiedene Logikfunktionen ausführt, was ein Maß an Flexibilität und Effizienz bietet, das bei elektronischen Schaltkreisen nicht zu finden ist.
Die mechanischen Transistoren können auch kombiniert werden, um komplexere Rechenelemente zu schaffen. Die Forscher zeigen, wie zwei miteinander verbundene mechanische Transistoren eine grundlegende Speichereinheit bilden können, die Informationen speichern und abrufen kann. Darüber hinaus ermöglichen sie durch die Verwendung eines Formgedächtnispolymers in der schaltbaren Komponente eine nichtflüchtige Speicherfunktion, was bedeutet, dass die gespeicherten Informationen auch dann erhalten bleiben, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Diese Integration von Logik und Speicher im selben Gerät ebnet den Weg für In-Memory-Computing, ein Paradigma, das verspricht, die Einschränkungen traditioneller Computerarchitekturen zu überwinden.
Um das Potenzial ihrer mechanischen Transistoren zu demonstrieren, konstruieren die Forscher eine arithmetische Logikeinheit, eine Schlüsselkomponente von Computersystemen. Bemerkenswert ist, dass für ihre Konstruktion nur sieben mechanische Transistoren erforderlich sind, um dieselbe Rechenoperation auszuführen, für die normalerweise 38 elektronische Transistoren erforderlich wären. Diese drastische Reduzierung der Komponentenanzahl unterstreicht die Effizienz und Skalierbarkeit des mechanischen Rechenansatzes.
Über die reine Berechnung hinaus zeigen die Forscher auch, wie ihre mechanischen Transistoren umweltadaptive Systeme ermöglichen können. Durch die Anordnung zweier mechanischer Transistoren in einer Reihe entsteht ein Gerät, das auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagieren kann, um den Einsatz von Solarmodulen zu steuern. Diese Anwendung veranschaulicht das Potenzial der mechanischen Datenverarbeitung, autonome Systeme zu ermöglichen, die mit ihrer Umgebung interagieren und sich an diese anpassen können, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, wo elektronische Komponenten aufgrund extremer Temperaturschwankungen und Strahlenbelastung möglicherweise nicht geeignet sind.
Obwohl die Entwicklung dieses mechanischen Transistors einen bedeutenden Meilenstein auf dem Gebiet der mechanischen Datenverarbeitung darstellt, bleiben Herausforderungen bestehen. Wärmeableitung und Leitungsverluste sind entscheidende Faktoren für die Skalierbarkeit und praktische Anwendung dieser Geräte. Zukünftige Forschung muss sich mit diesen Problemen befassen, um das Potenzial des mechanischen Rechnens voll auszuschöpfen.
Dennoch bietet der von diesem Forscherteam entwickelte mechanische Transistor einen Blick in eine Zukunft, in der die Grenzen zwischen Computer und der physikalischen Welt zunehmend verschwimmen. Durch die Nutzung der inhärenten Eigenschaften von Materialien und Strukturen hat das mechanische Rechnen das Potenzial, eine neue Welle adaptiver, effizienter und umweltverträglicher Systeme einzuleiten.
Ein mechanischer Transistor für thermische Berechnungen. a) Schema eines mechanischen Transistors, bestehend aus drei Eingangsanschlüssen (i)-(iii) und einem Ausgangsanschluss zur Übertragung von Temperatursignalen, einem bistabilen Aktuator (iv) und einem von Kirigami inspirierten thermomechanischen Sensor (v), hergestellt aus einer asymmetrischen Verschiebung Verstärker aus Polycarbonat (PC) und Invarlegierung. Die Maße von L und B betragen 250 bzw. 85 mm. (Bild angepasst aus doi:10.1002/adfm.202401244 mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Der vom Forschungsteam entwickelte mechanische Transistor besteht aus drei thermischen Eingangsanschlüssen und einem thermischen Ausgangsanschluss sowie einer schaltbaren Komponente und einem temperaturempfindlichen Material . Das temperaturempfindliche Material besteht aus einer Kombination aus Polycarbonat und einer Invar-Legierung und verändert seine Form als Reaktion auf Temperaturschwankungen. Beim Erhitzen dehnt es sich aus, beim Abkühlen zieht es sich zusammen. Diese Formänderung wird verwendet, um den Zustand der schaltbaren Komponente zu steuern, die zwischen zwei stabilen Konfigurationen wechseln kann, um binäre Zustände darzustellen.
Durch die Anordnung dieser mechanischen Transistoren in verschiedenen Konfigurationen demonstrieren die Forscher die Fähigkeit, eine vollständige Reihe von Logikgattern zu konstruieren, darunter NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR und XNOR. Bemerkenswert ist, dass ein einzelner mechanischer Transistor einfach durch Neukonfiguration der thermischen Eingangsquellen so umprogrammiert werden kann, dass er verschiedene Logikfunktionen ausführt, was ein Maß an Flexibilität und Effizienz bietet, das bei elektronischen Schaltkreisen nicht zu finden ist.
Die mechanischen Transistoren können auch kombiniert werden, um komplexere Rechenelemente zu schaffen. Die Forscher zeigen, wie zwei miteinander verbundene mechanische Transistoren eine grundlegende Speichereinheit bilden können, die Informationen speichern und abrufen kann. Darüber hinaus ermöglichen sie durch die Verwendung eines Formgedächtnispolymers in der schaltbaren Komponente eine nichtflüchtige Speicherfunktion, was bedeutet, dass die gespeicherten Informationen auch dann erhalten bleiben, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Diese Integration von Logik und Speicher im selben Gerät ebnet den Weg für In-Memory-Computing, ein Paradigma, das verspricht, die Einschränkungen traditioneller Computerarchitekturen zu überwinden.
Um das Potenzial ihrer mechanischen Transistoren zu demonstrieren, konstruieren die Forscher eine arithmetische Logikeinheit, eine Schlüsselkomponente von Computersystemen. Bemerkenswert ist, dass für ihre Konstruktion nur sieben mechanische Transistoren erforderlich sind, um dieselbe Rechenoperation auszuführen, für die normalerweise 38 elektronische Transistoren erforderlich wären. Diese drastische Reduzierung der Komponentenanzahl unterstreicht die Effizienz und Skalierbarkeit des mechanischen Rechenansatzes.
Über die reine Berechnung hinaus zeigen die Forscher auch, wie ihre mechanischen Transistoren umweltadaptive Systeme ermöglichen können. Durch die Anordnung zweier mechanischer Transistoren in einer Reihe entsteht ein Gerät, das auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagieren kann, um den Einsatz von Solarmodulen zu steuern. Diese Anwendung veranschaulicht das Potenzial der mechanischen Datenverarbeitung, autonome Systeme zu ermöglichen, die mit ihrer Umgebung interagieren und sich an diese anpassen können, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, wo elektronische Komponenten aufgrund extremer Temperaturschwankungen und Strahlenbelastung möglicherweise nicht geeignet sind.
Obwohl die Entwicklung dieses mechanischen Transistors einen bedeutenden Meilenstein auf dem Gebiet der mechanischen Datenverarbeitung darstellt, bleiben Herausforderungen bestehen. Wärmeableitung und Leitungsverluste sind entscheidende Faktoren für die Skalierbarkeit und praktische Anwendung dieser Geräte. Zukünftige Forschung muss sich mit diesen Problemen befassen, um das Potenzial des mechanischen Rechnens voll auszuschöpfen.
Dennoch bietet der von diesem Forscherteam entwickelte mechanische Transistor einen Blick in eine Zukunft, in der die Grenzen zwischen Computer und der physikalischen Welt zunehmend verschwimmen. Durch die Nutzung der inhärenten Eigenschaften von Materialien und Strukturen hat das mechanische Rechnen das Potenzial, eine neue Welle adaptiver, effizienter und umweltverträglicher Systeme einzuleiten.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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