(Nanowerk Nieuws) Nieuw micro-elektronica-apparaat kan computerhardware op aanvraag programmeren en herprogrammeren via elektrische pulsen. Wat als computers zouden kunnen leren hun circuits opnieuw te configureren wanneer ze nieuwe informatie krijgen? Een multi-institutioneel team, waaronder het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft een materiaal ontwikkeld waarmee computerchips precies dat kunnen doen. Dit gebeurt door functies in het menselijk brein na te bootsen met zogenaamde ‘neuromorfe’ circuits en computerarchitectuur (Wetenschap, “Herconfigureerbare perovskiet-nikkelelektronica voor kunstmatige intelligentie”). Het team werd geleid door Shriram Ramanathan, een professor aan de Purdue University. Waterstofionen in het nikkelaat maken een van de vier functies mogelijk bij verschillende spanningen (aangebracht door platina- en gouden elektroden bovenaan). De functies zijn kunstmatige synaps, kunstneuron, condensator en weerstand. De condensator slaat stroom op en geeft deze vrij; de weerstand blokkeert het. (Afbeelding: Argonne National Laboratory) “Menselijke hersenen kunnen daadwerkelijk veranderen als gevolg van het leren van nieuwe dingen”, zegt Subramanian Sankaranarayanan, co-auteur van een paper met een gezamenlijke aanstelling bij Argonne en de Universiteit van Illinois, Chicago. “We hebben nu een apparaat gemaakt waarmee machines hun circuits op een hersenachtige manier kunnen herconfigureren.” Met dit vermogen, kunstmatige intelligentie-gebaseerde computers zouden complexe taken sneller en nauwkeuriger kunnen uitvoeren, met veel minder energieverbruik. Een voorbeeld is het interpreteren van complexe medische beelden. Een meer futuristisch voorbeeld zijn autonome voertuigen en robots in de ruimte die hun circuits kunnen herprogrammeren op basis van ervaring. Het belangrijkste materiaal in het nieuwe apparaat bestaat uit neodymium, nikkel en zuurstof en wordt perovskiet-nikkelaat (NdNiO) genoemd.3). Het team heeft dit materiaal voorzien van waterstof en er elektroden aan vastgemaakt waarmee elektrische pulsen op verschillende spanningen kunnen worden toegepast. "Hoeveel waterstof er in het nikkelaat zit, en waar het zich bevindt, verandert de elektronische eigenschappen", zei Sankaranarayanan. “En we kunnen de locatie en concentratie ervan veranderen met verschillende elektrische pulsen.” “Dit materiaal heeft een veelgelaagde persoonlijkheid”, zegt Hua Zhou, co-auteur van het artikel en natuurkundige uit Argonne. “Het heeft de twee gebruikelijke functies van alledaagse elektronica: het inschakelen en blokkeren van elektrische stroom en het opslaan en vrijgeven van elektriciteit. Wat echt nieuw en opvallend is, is de toevoeging van twee functies die vergelijkbaar zijn met het afzonderlijke gedrag van synapsen en neuronen in de hersenen.” Een neuron is een enkele zenuwcel die via synapsen verbinding maakt met andere zenuwcellen. Neuronen initiëren het waarnemen van de buitenwereld. Voor zijn bijdrage heeft het Argonne-team een ​​computationele en experimentele karakterisering uitgevoerd van wat er in het nikkelaatapparaat gebeurt onder verschillende spanningen. Daartoe vertrouwden ze op de gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science in Argonne: de Advanced Photon Source, Argonne Leadership Computing Facility en Center for Nanoscale Materials. De experimentele resultaten toonden aan dat simpelweg het veranderen van de spanning de beweging van waterstofionen in het nikkelaat regelt. Een bepaalde spanning concentreert waterstof in het nikkelcentrum, waardoor neuronachtig gedrag ontstaat. Een andere spanning pendelt de waterstof uit het centrum, wat synapsachtig gedrag oplevert. Bij nog steeds verschillende spanningen veroorzaken de resulterende locaties en concentratie van de waterstof de aan-uitstromen van computerchips. “Onze berekeningen die dit mechanisme op atomaire schaal onthulden, waren superintensief”, zegt Argonne-wetenschapper Sukriti Manna. Het team vertrouwde niet alleen op de rekenkracht van de Argonne Leadership Computing Facility, maar ook van het National Energy Research Scientific Computing Center, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory. Bevestiging van het mechanisme kwam gedeeltelijk uit experimenten op bundellijn 33-ID-D van de Advanced Photon Source. “Door de jaren heen hebben we een zeer productieve samenwerking gehad met de Purdue-groep”, aldus Zhou. “Hier heeft het team precies bepaald hoe atomen zich onder verschillende spanningen in het nikkelaat rangschikken. Vooral belangrijk was het volgen van de reactie van het materiaal op atomaire schaal op de beweging van waterstof.” Met het nikkelapparaat van het team zullen wetenschappers werken aan het creëren van een netwerk van kunstmatige neuronen en synapsen die kunnen leren en kunnen veranderen op basis van ervaringen. Dit netwerk zou groeien of krimpen naarmate het nieuwe informatie krijgt en zou dus met extreme energie-efficiëntie kunnen werken. En die energie-efficiëntie vertaalt zich in lagere operationele kosten. Op het brein geïnspireerde micro-elektronica met het apparaat van het team als bouwsteen zou een mooie toekomst kunnen hebben.