새로운 기계식 트랜지스터로 환경 적응형 및 전기가 필요 없는 컴퓨팅 가능

26년 2024월 XNUMX일(나노 워크 스포트라이트) 컴퓨팅 분야에서는 전자 트랜지스터 오랫동안 지배적인 기술이었습니다. 1947년 발명된 이래로 이 작은 장치는 현대 전자 제품의 기초가 되었으며 우리 삶의 거의 모든 측면을 변화시키는 디지털 혁명을 가능하게 했습니다. 그러나 편재성과 비교할 수 없는 성공에도 불구하고 전자 트랜지스터에는 한계가 있습니다. 높은 전력 소비, 극한 환경 조건에 대한 취약성, 열, 힘, 압력과 같은 외부 자극과의 직접적인 상호 작용 부족으로 인해 연구자들은 계산에 대한 대안적인 접근 방식을 모색하게 되었습니다. 이것이 기계 컴퓨팅이 등장하는 곳입니다. 전자 컴퓨팅과 달리 기계 컴퓨팅은 논리적 작업을 수행하기 위해 재료와 구조의 물리적 조작에 의존합니다. 이 접근 방식은 전력 소비 감소, 보안 강화, 전자 부품이 자주 고장나는 열악한 환경에서 작동할 수 있는 능력 등 여러 가지 이점을 제공합니다. 또한 기계식 컴퓨팅 장치는 환경 입력에 직접 반응하고 처리하도록 설계할 수 있어 분산형 지능 및 적응형 시스템에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 기계식 컴퓨팅의 잠재력에도 불구하고 기존 설계의 임시적 특성으로 인해 이 분야의 발전이 방해를 받았습니다. 대부분의 연구는 고급 애플리케이션에 필요한 모듈성과 확장성이 부족한 단순한 논리 게이트 생성에 중점을 두었습니다. 또한 많은 기계 컴퓨팅 시스템은 여전히 수동 재설정이나 입력 및 출력을 위한 전기 신호에 의존하여 자율성과 환경 대응성을 제한합니다. 이제 Shanghai Jiao Tong University의 연구팀은 이러한 과제를 해결하는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 최근 저널에 발표된 연구에서 고급 기능성 재료 (“기계적 트랜지스터를 이용한 열 컴퓨팅”), 그들은 온도에 반응하는 재료와 전환 가능한 구조를 결합한 새로운 기계적 트랜지스터를 소개합니다. 이 혁신적인 설계를 통해 전기가 필요 없이 복잡한 논리 회로와 메모리 저장 장치를 구축할 수 있습니다.

열 컴퓨팅을 위한 기계적 트랜지스터. a) 3개의 입력 단자(i)-(iii)와 온도 신호 전달을 위한 1개의 출력 단자, 쌍안정 액추에이터(iv) 및 비대칭 변위로 제작된 Kirigami에서 영감을 받은 열역학적 센서(v)로 구성된 기계식 트랜지스터의 도식 폴리카보네이트(PC)와 인바 합금으로 구성된 앰프. l과 w의 치수는 각각 250mm와 85mm입니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 doi:10.1002/adfm.202401244에서 수정한 이미지) 연구팀이 개발한 기계식 트랜지스터는 전환 가능한 구성 요소 및 온도 반응 재료와 함께 XNUMX개의 열 입력 단자와 XNUMX개의 열 출력 단자로 구성됩니다. . 폴리카보네이트와 인바 합금을 결합한 온도 감응 소재는 온도 변화에 따라 모양이 변합니다. 가열하면 늘어나고, 냉각되면 수축합니다. 이 모양 변경은 전환 가능한 구성 요소의 상태를 제어하는 데 사용되며, 이진 상태를 나타내기 위해 두 개의 안정적인 구성 사이를 스냅할 수 있습니다. 이러한 기계적 트랜지스터를 다양한 구성으로 배열함으로써 연구원들은 NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR 및 XNOR를 포함한 전체 논리 게이트 제품군을 구성하는 능력을 보여줍니다. 놀랍게도 단일 기계식 트랜지스터는 열 입력 소스를 재구성하는 것만으로 다양한 논리 기능을 수행하도록 다시 프로그래밍할 수 있어 전자 회로에서는 볼 수 없는 수준의 유연성과 효율성을 제공합니다. 기계식 트랜지스터를 결합하여 더 복잡한 컴퓨팅 요소를 만들 수도 있습니다. 연구원들은 두 개의 상호 연결된 기계적 트랜지스터가 어떻게 정보를 저장하고 검색할 수 있는 기본 메모리 장치를 형성할 수 있는지 보여줍니다. 또한 전환 가능한 구성 요소에 형상 기억 폴리머를 사용하여 비휘발성 메모리 기능을 활성화합니다. 즉, 장치의 전원이 꺼진 경우에도 저장된 정보가 유지됩니다. 동일한 장치 내에서 로직과 메모리를 통합하면 기존 컴퓨팅 아키텍처의 한계를 극복할 수 있는 패러다임인 인메모리 컴퓨팅의 길을 열게 됩니다. 기계적 트랜지스터의 잠재력을 보여주기 위해 연구원들은 컴퓨팅 시스템의 핵심 구성 요소인 산술 논리 장치를 구성했습니다. 놀랍게도 이들 설계에는 일반적으로 38개의 전자 트랜지스터가 필요한 동일한 산술 연산을 수행하는 데 XNUMX개의 기계적 트랜지스터만 필요합니다. 이러한 구성 요소 수의 급격한 감소는 기계 컴퓨팅 접근 방식의 효율성과 확장성을 강조합니다. 순수한 계산 외에도 연구원들은 기계적 트랜지스터가 환경 적응형 시스템을 어떻게 활성화할 수 있는지 보여줍니다. 두 개의 기계식 트랜지스터를 순차적으로 배열함으로써 주변 온도 변화에 반응하여 태양광 패널의 배치를 제어할 수 있는 장치를 만듭니다. 이 응용 프로그램은 전자 부품이 극심한 온도 변동 및 방사선 노출로 인해 적합하지 않을 수 있는 우주 항공과 같이 주변 환경과 상호 작용하고 이에 적응할 수 있는 자율 시스템을 촉진하기 위한 기계 컴퓨팅의 잠재력을 보여줍니다. 이 기계식 트랜지스터의 개발은 기계식 컴퓨팅 분야에서 중요한 이정표를 나타내지만 과제는 여전히 남아 있습니다. 열 방출 및 전도 손실은 이러한 장치의 확장성과 실제 적용을 위한 중요한 고려 사항입니다. 향후 연구에서는 기계 컴퓨팅의 잠재력을 완전히 실현하기 위해 이러한 문제를 해결해야 합니다. 그럼에도 불구하고, 본 연구팀이 개발한 기계적 트랜지스터는 계산과 물리적 세계의 경계가 점점 모호해지는 미래를 엿볼 수 있는 기회를 제공합니다. 기계적 컴퓨팅은 재료와 구조의 고유한 특성을 활용함으로써 적응력이 뛰어나고 효율적이며 환경적으로 반응하는 시스템의 새로운 물결을 가져올 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

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마이클
버거