26 mars 2024 (Projecteur Nanowerk) Dans le domaine de l'informatique, l'électronique transistor a longtemps été la technologie dominante. Depuis son invention en 1947, ce petit appareil est devenu le fondement de l’électronique moderne, permettant la révolution numérique qui a transformé presque tous les aspects de nos vies. Cependant, malgré son omniprésence et son succès sans précédent, le transistor électronique a ses limites. Une consommation d'énergie élevée, une vulnérabilité aux conditions environnementales extrêmes et un manque d'interaction directe avec des stimuli externes tels que la chaleur, la force et la pression ont motivé les chercheurs à explorer des approches alternatives en matière de calcul. C'est là qu'intervient l'informatique mécanique. Contrairement à l'informatique électronique, l'informatique mécanique repose sur la manipulation physique de matériaux et de structures pour effectuer des opérations logiques. Cette approche offre plusieurs avantages, notamment une consommation d'énergie réduite, une sécurité accrue et la possibilité de fonctionner dans des environnements difficiles où les composants électroniques tombent souvent en panne. De plus, les dispositifs informatiques mécaniques peuvent être conçus pour répondre et traiter directement les entrées environnementales, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l’intelligence décentralisée et les systèmes adaptatifs. Malgré le potentiel du calcul mécanique, les progrès dans ce domaine ont été freinés par la nature ad hoc des conceptions existantes. La plupart des recherches se sont concentrées sur la création de portes logiques simples, dépourvues de la modularité et de l'évolutivité nécessaires pour des applications plus avancées. De plus, de nombreux systèmes informatiques mécaniques reposent encore sur des réinitialisations manuelles ou des signaux électriques pour les entrées et les sorties, limitant ainsi leur autonomie et leur réactivité à l'environnement. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai a réalisé des progrès significatifs pour relever ces défis. Dans une étude récente publiée dans la revue Matériaux fonctionnels avancés (« Calcul thermique avec transistors mécaniques »), ils introduisent un nouveau transistor mécanique qui combine un matériau sensible à la température et une structure commutable. Cette conception innovante permet la construction de circuits logiques complexes et de stockage de mémoire, le tout sans avoir besoin d'électricité.
Un transistor mécanique pour le calcul thermique. a) Schéma d'un transistor mécanique composé de trois bornes d'entrée (i) à (iii) et d'une borne de sortie pour transmettre des signaux de température, un actionneur bistable (iv) et un capteur thermomécanique inspiré de Kirigami (v) fabriqué à partir d'un déplacement asymétrique amplificateur composé de polycarbonate (PC) et d'alliage invar. Les dimensions de l et w sont respectivement de 250 et 85 mm. (Image adaptée de doi : 10.1002/adfm.202401244 avec l'autorisation de Wiley-VCH Verlag) Le transistor mécanique développé par l'équipe de recherche se compose de trois bornes d'entrée thermique et d'une borne de sortie thermique, ainsi que d'un composant commutable et d'un matériau sensible à la température. . Le matériau sensible à la température, composé d'une combinaison de polycarbonate et d'un alliage invar, change de forme en réponse aux variations de température. Lorsqu'il est chauffé, il s'allonge et lorsqu'il est refroidi, il se contracte. Ce changement de forme est utilisé pour contrôler l'état du composant commutable, qui peut s'aligner entre deux configurations stables pour représenter des états binaires.
En disposant ces transistors mécaniques dans diverses configurations, les chercheurs démontrent la capacité de construire une suite complète de portes logiques, notamment NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR et XNOR. Remarquablement, un seul transistor mécanique peut être reprogrammé pour exécuter différentes fonctions logiques simplement en reconfigurant les sources d'entrée thermiques, offrant ainsi un niveau de flexibilité et d'efficacité jamais vu dans les circuits électroniques.
Les transistors mécaniques peuvent également être combinés pour créer des éléments informatiques plus complexes. Les chercheurs montrent comment deux transistors mécaniques interconnectés peuvent former une unité de mémoire de base, capable de stocker et de récupérer des informations. De plus, en utilisant un polymère à mémoire de forme dans le composant commutable, ils permettent une fonctionnalité de mémoire non volatile, ce qui signifie que les informations stockées sont conservées même lorsque l'appareil est éteint. Cette intégration de la logique et de la mémoire au sein d'un même appareil ouvre la voie à l'informatique en mémoire, un paradigme qui promet de surmonter les limites des architectures informatiques traditionnelles.
Pour mettre en valeur le potentiel de leurs transistors mécaniques, les chercheurs construisent une unité arithmétique et logique, élément clé des systèmes informatiques. Remarquablement, leur conception ne nécessite que sept transistors mécaniques pour effectuer la même opération arithmétique qui nécessiterait généralement 38 transistors électroniques. Cette réduction drastique du nombre de composants met en évidence l’efficacité et l’évolutivité de l’approche informatique mécanique.
Au-delà du calcul pur, les chercheurs démontrent également comment leurs transistors mécaniques peuvent permettre des systèmes adaptatifs à l’environnement. En disposant deux transistors mécaniques en séquence, ils créent un dispositif capable de répondre aux changements de température ambiante pour contrôler le déploiement des panneaux solaires. Cette application illustre le potentiel de l'informatique mécanique pour faciliter les systèmes autonomes capables d'interagir avec leur environnement et de s'y adapter, comme dans l'aérospatiale, où les composants électroniques peuvent ne pas convenir en raison de fluctuations extrêmes de température et d'exposition aux rayonnements.
Même si le développement de ce transistor mécanique représente une étape importante dans le domaine du calcul mécanique, des défis demeurent. La dissipation thermique et les pertes par conduction sont des considérations essentielles pour l’évolutivité et l’application pratique de ces dispositifs. Les recherches futures devront aborder ces questions pour réaliser pleinement le potentiel du calcul mécanique.
Néanmoins, le transistor mécanique développé par cette équipe de recherche offre un aperçu d’un avenir où les frontières entre le monde informatique et le monde physique sont de plus en plus floues. En exploitant les propriétés inhérentes des matériaux et des structures, l’informatique mécanique a le potentiel d’inaugurer une nouvelle vague de systèmes adaptatifs, efficaces et respectueux de l’environnement.
Un transistor mécanique pour le calcul thermique. a) Schéma d'un transistor mécanique composé de trois bornes d'entrée (i) à (iii) et d'une borne de sortie pour transmettre des signaux de température, un actionneur bistable (iv) et un capteur thermomécanique inspiré de Kirigami (v) fabriqué à partir d'un déplacement asymétrique amplificateur composé de polycarbonate (PC) et d'alliage invar. Les dimensions de l et w sont respectivement de 250 et 85 mm. (Image adaptée de doi : 10.1002/adfm.202401244 avec l'autorisation de Wiley-VCH Verlag) Le transistor mécanique développé par l'équipe de recherche se compose de trois bornes d'entrée thermique et d'une borne de sortie thermique, ainsi que d'un composant commutable et d'un matériau sensible à la température. . Le matériau sensible à la température, composé d'une combinaison de polycarbonate et d'un alliage invar, change de forme en réponse aux variations de température. Lorsqu'il est chauffé, il s'allonge et lorsqu'il est refroidi, il se contracte. Ce changement de forme est utilisé pour contrôler l'état du composant commutable, qui peut s'aligner entre deux configurations stables pour représenter des états binaires.
En disposant ces transistors mécaniques dans diverses configurations, les chercheurs démontrent la capacité de construire une suite complète de portes logiques, notamment NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR et XNOR. Remarquablement, un seul transistor mécanique peut être reprogrammé pour exécuter différentes fonctions logiques simplement en reconfigurant les sources d'entrée thermiques, offrant ainsi un niveau de flexibilité et d'efficacité jamais vu dans les circuits électroniques.
Les transistors mécaniques peuvent également être combinés pour créer des éléments informatiques plus complexes. Les chercheurs montrent comment deux transistors mécaniques interconnectés peuvent former une unité de mémoire de base, capable de stocker et de récupérer des informations. De plus, en utilisant un polymère à mémoire de forme dans le composant commutable, ils permettent une fonctionnalité de mémoire non volatile, ce qui signifie que les informations stockées sont conservées même lorsque l'appareil est éteint. Cette intégration de la logique et de la mémoire au sein d'un même appareil ouvre la voie à l'informatique en mémoire, un paradigme qui promet de surmonter les limites des architectures informatiques traditionnelles.
Pour mettre en valeur le potentiel de leurs transistors mécaniques, les chercheurs construisent une unité arithmétique et logique, élément clé des systèmes informatiques. Remarquablement, leur conception ne nécessite que sept transistors mécaniques pour effectuer la même opération arithmétique qui nécessiterait généralement 38 transistors électroniques. Cette réduction drastique du nombre de composants met en évidence l’efficacité et l’évolutivité de l’approche informatique mécanique.
Au-delà du calcul pur, les chercheurs démontrent également comment leurs transistors mécaniques peuvent permettre des systèmes adaptatifs à l’environnement. En disposant deux transistors mécaniques en séquence, ils créent un dispositif capable de répondre aux changements de température ambiante pour contrôler le déploiement des panneaux solaires. Cette application illustre le potentiel de l'informatique mécanique pour faciliter les systèmes autonomes capables d'interagir avec leur environnement et de s'y adapter, comme dans l'aérospatiale, où les composants électroniques peuvent ne pas convenir en raison de fluctuations extrêmes de température et d'exposition aux rayonnements.
Même si le développement de ce transistor mécanique représente une étape importante dans le domaine du calcul mécanique, des défis demeurent. La dissipation thermique et les pertes par conduction sont des considérations essentielles pour l’évolutivité et l’application pratique de ces dispositifs. Les recherches futures devront aborder ces questions pour réaliser pleinement le potentiel du calcul mécanique.
Néanmoins, le transistor mécanique développé par cette équipe de recherche offre un aperçu d’un avenir où les frontières entre le monde informatique et le monde physique sont de plus en plus floues. En exploitant les propriétés inhérentes des matériaux et des structures, l’informatique mécanique a le potentiel d’inaugurer une nouvelle vague de systèmes adaptatifs, efficaces et respectueux de l’environnement.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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