26. március 2024. (Nanowerk Spotlight) A számítástechnika területén az elektronikus tranzisztor régóta az uralkodó technológia. 1947-es feltalálása óta ez az apró készülék a modern elektronika alapjává vált, lehetővé téve a digitális forradalmat, amely életünk szinte minden területét megváltoztatta. Azonban mindenütt jelenléte és páratlan sikere ellenére az elektronikus tranzisztornak megvannak a korlátai. A nagy energiafogyasztás, a szélsőséges környezeti feltételekkel szembeni sebezhetőség, valamint a külső ingerekkel, például hővel, erővel és nyomással való közvetlen kölcsönhatás hiánya arra motiválta a kutatókat, hogy alternatív számítási módszereket fedezzenek fel. Itt jön be a mechanikus számítástechnika. Az elektronikus számítástechnikával ellentétben a mechanikus számítástechnika az anyagok és szerkezetek fizikai manipulációján alapul a logikai műveletek végrehajtásához. Ez a megközelítés számos előnnyel jár, beleértve az alacsonyabb energiafogyasztást, a nagyobb biztonságot és a zord környezetben való működés lehetőségét, ahol az elektronikus alkatrészek gyakran meghibásodnak. Ezenkívül a mechanikus számítástechnikai eszközök úgy tervezhetők, hogy közvetlenül reagáljanak és feldolgozzák a környezeti bemeneteket, új lehetőségeket nyitva a decentralizált intelligencia és az adaptív rendszerek számára. A mechanikus számítástechnikában rejlő lehetőségek ellenére a terület előrehaladását hátráltatta a meglévő tervek ad hoc jellege. A legtöbb kutatás az egyszerű logikai kapuk létrehozására összpontosított, amelyekből hiányzik a fejlettebb alkalmazásokhoz szükséges modularitás és méretezhetőség. Ezen túlmenően sok mechanikus számítástechnikai rendszer továbbra is kézi alaphelyzetbe állításra vagy elektromos jelekre támaszkodik a be- és kimenetként, ami korlátozza autonómiájukat és környezeti reakcióképességüket. A Shanghai Jiao Tong Egyetem kutatóiból álló csapat most jelentős előrelépést tett e kihívások kezelésében. A folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban Fejlett funkcionális anyagok („Hő számítástechnika mechanikus tranzisztorokkal”), bemutatnak egy új mechanikus tranzisztort, amely a hőmérséklet-érzékeny anyagot és a kapcsolható szerkezetet egyesíti. Ez az innovatív kialakítás lehetővé teszi bonyolult logikai áramkörök és memóriatárolók felépítését, mindezt elektromos áram nélkül.
Mechanikus tranzisztor hőtechnikai számításokhoz. a) Egy mechanikus tranzisztor vázlata, amely három bemeneti kapocsból (i)-(iii) és egy kimeneti terminálból áll a hőmérsékleti jelek továbbítására, egy bistabil működtetőből (iv) és egy aszimmetrikus elmozdulásból készült Kirigami-inspirált termomechanikus érzékelőből (v) polikarbonátból (PC) és invar ötvözetből álló erősítő. Az l és w mérete 250, illetve 85 mm. (A kép adaptált: doi:10.1002/adfm.202401244 a Wiley-VCH Verlag engedélyével) A kutatócsoport által kifejlesztett mechanikus tranzisztor három hőbemeneti és egy hőkimeneti csatlakozóból, valamint egy kapcsolható alkatrészből és egy hőmérséklet-érzékeny anyagból áll . A polikarbonát és egy invar ötvözet kombinációjából készült, hőmérsékletre érzékeny anyag a hőmérséklet változásaira reagálva megváltoztatja alakját. Melegítéskor megnyúlik, kihűlve összehúzódik. Ezt az alakváltozást a kapcsolható komponens állapotának szabályozására használják, amely két stabil konfiguráció között válthat a bináris állapotok megjelenítéséhez.
Ezeknek a mechanikus tranzisztoroknak a különféle konfigurációkban való elrendezésével a kutatók bebizonyították, hogy képesek egy teljes logikai kapukészletet létrehozni, beleértve a NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR és XNOR kaput. Figyelemre méltó, hogy egyetlen mechanikus tranzisztor átprogramozható különböző logikai funkciók végrehajtására egyszerűen a hőbemeneti források újrakonfigurálásával, ami olyan szintű rugalmasságot és hatékonyságot kínál, amely nem látható az elektronikus áramkörökben.
A mechanikus tranzisztorok kombinálhatók is összetettebb számítási elemek létrehozására. A kutatók bemutatják, hogyan alkothat két egymással összekapcsolt mechanikus tranzisztor egy alapvető memóriaegységet, amely képes információkat tárolni és visszakeresni. Ezen túlmenően, a kapcsolható komponensben alakmemória polimert használva lehetővé teszik a nem felejtő memória funkciót, ami azt jelenti, hogy a tárolt információ akkor is megmarad, ha a készüléket kikapcsolják. A logika és a memória ezen integrálása ugyanazon az eszközön belül megnyitja az utat a memórián belüli számítástechnika számára, amely paradigma a hagyományos számítási architektúrák korlátainak leküzdését ígéri.
A mechanikus tranzisztorokban rejlő lehetőségek bemutatására a kutatók egy aritmetikai logikai egységet alkotnak, amely a számítási rendszerek kulcsfontosságú eleme. Figyelemre méltó, hogy tervezésükhöz mindössze hét mechanikus tranzisztorra van szükség ahhoz, hogy ugyanazt a számtani műveletet elvégezzék, amelyhez általában 38 elektronikus tranzisztorra lenne szükség. Az alkatrészek számának ez a drasztikus csökkenése kiemeli a mechanikus számítástechnikai megközelítés hatékonyságát és méretezhetőségét.
A tiszta számításon túl a kutatók azt is bemutatják, hogy mechanikus tranzisztoraik hogyan képesek környezetileg alkalmazkodó rendszereket tenni. Két mechanikus tranzisztor egymás utáni elrendezésével olyan eszközt hoznak létre, amely képes reagálni a környezeti hőmérséklet változásaira, és így szabályozza a napelemek telepítését. Ez az alkalmazás szemlélteti a mechanikus számítástechnikában rejlő lehetőségeket az autonóm rendszerek elősegítésére, amelyek képesek kölcsönhatásba lépni a környezetükkel, és alkalmazkodni tudnak a környezetükhöz, például a repülésben, ahol az elektronikus alkatrészek nem biztos, hogy megfelelőek a szélsőséges hőmérséklet-ingadozások és a sugárterhelés miatt.
Noha ennek a mechanikus tranzisztornak a kifejlesztése jelentős mérföldkövet jelent a mechanikus számítástechnika területén, továbbra is vannak kihívások. A hőleadás és a vezetési veszteségek kritikus szempontok ezen eszközök méretezhetősége és gyakorlati alkalmazása szempontjából. A jövőbeli kutatásoknak foglalkozniuk kell ezekkel a kérdésekkel, hogy teljes mértékben kiaknázhassák a mechanikus számítástechnikában rejlő lehetőségeket.
Mindazonáltal a kutatócsoport által kifejlesztett mechanikus tranzisztor bepillantást enged egy olyan jövőbe, ahol a számítások és a fizikai világ közötti határok egyre inkább elmosódnak. Az anyagok és szerkezetek rejlő tulajdonságainak hasznosításával a mechanikus számítástechnika képes bevezetni az adaptív, hatékony és környezetbarát rendszerek új hullámát.
Mechanikus tranzisztor hőtechnikai számításokhoz. a) Egy mechanikus tranzisztor vázlata, amely három bemeneti kapocsból (i)-(iii) és egy kimeneti terminálból áll a hőmérsékleti jelek továbbítására, egy bistabil működtetőből (iv) és egy aszimmetrikus elmozdulásból készült Kirigami-inspirált termomechanikus érzékelőből (v) polikarbonátból (PC) és invar ötvözetből álló erősítő. Az l és w mérete 250, illetve 85 mm. (A kép adaptált: doi:10.1002/adfm.202401244 a Wiley-VCH Verlag engedélyével) A kutatócsoport által kifejlesztett mechanikus tranzisztor három hőbemeneti és egy hőkimeneti csatlakozóból, valamint egy kapcsolható alkatrészből és egy hőmérséklet-érzékeny anyagból áll . A polikarbonát és egy invar ötvözet kombinációjából készült, hőmérsékletre érzékeny anyag a hőmérséklet változásaira reagálva megváltoztatja alakját. Melegítéskor megnyúlik, kihűlve összehúzódik. Ezt az alakváltozást a kapcsolható komponens állapotának szabályozására használják, amely két stabil konfiguráció között válthat a bináris állapotok megjelenítéséhez.
Ezeknek a mechanikus tranzisztoroknak a különféle konfigurációkban való elrendezésével a kutatók bebizonyították, hogy képesek egy teljes logikai kapukészletet létrehozni, beleértve a NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR és XNOR kaput. Figyelemre méltó, hogy egyetlen mechanikus tranzisztor átprogramozható különböző logikai funkciók végrehajtására egyszerűen a hőbemeneti források újrakonfigurálásával, ami olyan szintű rugalmasságot és hatékonyságot kínál, amely nem látható az elektronikus áramkörökben.
A mechanikus tranzisztorok kombinálhatók is összetettebb számítási elemek létrehozására. A kutatók bemutatják, hogyan alkothat két egymással összekapcsolt mechanikus tranzisztor egy alapvető memóriaegységet, amely képes információkat tárolni és visszakeresni. Ezen túlmenően, a kapcsolható komponensben alakmemória polimert használva lehetővé teszik a nem felejtő memória funkciót, ami azt jelenti, hogy a tárolt információ akkor is megmarad, ha a készüléket kikapcsolják. A logika és a memória ezen integrálása ugyanazon az eszközön belül megnyitja az utat a memórián belüli számítástechnika számára, amely paradigma a hagyományos számítási architektúrák korlátainak leküzdését ígéri.
A mechanikus tranzisztorokban rejlő lehetőségek bemutatására a kutatók egy aritmetikai logikai egységet alkotnak, amely a számítási rendszerek kulcsfontosságú eleme. Figyelemre méltó, hogy tervezésükhöz mindössze hét mechanikus tranzisztorra van szükség ahhoz, hogy ugyanazt a számtani műveletet elvégezzék, amelyhez általában 38 elektronikus tranzisztorra lenne szükség. Az alkatrészek számának ez a drasztikus csökkenése kiemeli a mechanikus számítástechnikai megközelítés hatékonyságát és méretezhetőségét.
A tiszta számításon túl a kutatók azt is bemutatják, hogy mechanikus tranzisztoraik hogyan képesek környezetileg alkalmazkodó rendszereket tenni. Két mechanikus tranzisztor egymás utáni elrendezésével olyan eszközt hoznak létre, amely képes reagálni a környezeti hőmérséklet változásaira, és így szabályozza a napelemek telepítését. Ez az alkalmazás szemlélteti a mechanikus számítástechnikában rejlő lehetőségeket az autonóm rendszerek elősegítésére, amelyek képesek kölcsönhatásba lépni a környezetükkel, és alkalmazkodni tudnak a környezetükhöz, például a repülésben, ahol az elektronikus alkatrészek nem biztos, hogy megfelelőek a szélsőséges hőmérséklet-ingadozások és a sugárterhelés miatt.
Noha ennek a mechanikus tranzisztornak a kifejlesztése jelentős mérföldkövet jelent a mechanikus számítástechnika területén, továbbra is vannak kihívások. A hőleadás és a vezetési veszteségek kritikus szempontok ezen eszközök méretezhetősége és gyakorlati alkalmazása szempontjából. A jövőbeli kutatásoknak foglalkozniuk kell ezekkel a kérdésekkel, hogy teljes mértékben kiaknázhassák a mechanikus számítástechnikában rejlő lehetőségeket.
Mindazonáltal a kutatócsoport által kifejlesztett mechanikus tranzisztor bepillantást enged egy olyan jövőbe, ahol a számítások és a fizikai világ közötti határok egyre inkább elmosódnak. Az anyagok és szerkezetek rejlő tulajdonságainak hasznosításával a mechanikus számítástechnika képes bevezetni az adaptív, hatékony és környezetbarát rendszerek új hullámát.
– Michael a Royal Society of Chemistry három könyvének szerzője:
Nanotársadalom: a technológia határainak feszegetése,
Nanotechnológia: A jövő apróés
Nanomérnöki tervezés: A technológiát láthatatlanná tevő készségek és eszközök
copyright ©
Nanowerk LLC
Legyen a Spotlight vendégszerzője! Csatlakozz nagy és növekvő csoportunkhoz vendég közreműködők. Nemrég publikált tudományos cikket, vagy más izgalmas fejleményeket szeretne megosztani a nanotechnológiai közösséggel? Így tehet közzé a nanowerk.com oldalon.
- SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
- PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
- PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
- Forrás: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
