Multimode memristors

Onderzoekers van ETH Zürich, de Universiteit van Zürich en Empa bouwden een nieuwe memristor die in meerdere modi kan werken en mogelijk kan worden gebruikt om neuronen in meer toepassingen na te bootsen.

"Er zijn verschillende bedieningsmodi voor memristors en het is voordelig om al deze modi te kunnen gebruiken, afhankelijk van de architectuur van een kunstmatig neuraal netwerk", zegt Rohit John, een postdoc bij ETH. "Maar eerdere conventionele memristors moesten vooraf voor een van deze modi worden geconfigureerd." De nieuwe memristors kunnen tijdens gebruik gemakkelijk schakelen tussen twee bedrijfsmodi: een modus waarin het signaal na verloop van tijd zwakker wordt en sterft (vluchtige modus), en een modus waarin het signaal constant blijft (niet-vluchtige modus). "Deze twee bedieningsmodi zijn ook te vinden in het menselijk brein."

De nieuwe memristors zijn gemaakt van halide-perovskiet-nanokristallen, een halfgeleidermateriaal dat vaak wordt gebruikt in fotovoltaïsche cellen. "De 'zenuwgeleiding' in deze nieuwe memristors wordt gemedieerd door tijdelijk of permanent zilverionen van een elektrode aan elkaar te rijgen om een ​​nanofilament te vormen dat de perovskietstructuur penetreert waardoor stroom kan stromen," zei Maksym Kovalenko, een professor aan ETH.

Het team merkte op: "Dit proces kan worden gereguleerd om het zilverionfilament dun te maken, zodat het geleidelijk weer afbreekt in individuele zilverionen (vluchtige modus), of dik en permanent (niet-vluchtige modus). Dit wordt geregeld door de intensiteit van de stroom die op de memristor wordt geleid: het toepassen van een zwakke stroom activeert de vluchtige modus, terwijl een sterke stroom de niet-vluchtige modus activeert.”

"Voor zover wij weten, is dit de eerste memristor die op afroep betrouwbaar kan worden geschakeld tussen vluchtige en niet-vluchtige modi", voegde Yiğit Demirağ, een doctoraalstudent aan de Universiteit van Zürich en ETH eraan toe.

De onderzoekers testten 25 van deze nieuwe memristors en deden er 20,000 metingen mee. Ze waren in staat om een ​​rekenprobleem op een complex netwerk te simuleren, waarbij een aantal verschillende neuronspikes werden geclassificeerd als een van de vier vooraf gedefinieerde patronen.

De memristors moeten verder worden geoptimaliseerd voordat ze in computers kunnen worden gebruikt, maar ze kunnen ook worden gebruikt voor onderzoek in neuro-informatica, zei Giacomo Indiveri, een professor aan het Instituut voor Neuro-informatica van de Universiteit van Zürich en ETH Zürich. “Deze componenten komen dichter bij echte neuronen dan de vorige. Als gevolg hiervan helpen ze onderzoekers om hypothesen in de neuro-informatica beter te testen en hopelijk een beter begrip te krijgen van de computerprincipes van echte neuronale circuits bij mensen en dieren."

Verbeterde warmtegeleiding in silicium nanodraden

Onderzoekers van University of California Berkeley, Rice University, University of Massachusetts-Amherst en Tsinghua University creëerden een enkele isotoop silicium nanodraden dat veel meer warmte kan geleiden dan typisch is voor silicium.

Het slechte vermogen van natuurlijk silicium om warmte te geleiden is te wijten aan de drie verschillende isotopen van het materiaal. Ongeveer 92% van silicium bestaat uit de isotoop silicium-28, die 14 protonen en 14 neutronen heeft; ongeveer 5% is silicium-29, met een gewicht van 14 protonen en 15 neutronen; en slechts 3% is silicium-30, een relatief zwaargewicht met 14 protonen en 16 neutronen, legt Joel Ager uit, die titels heeft van senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en adjunct-professor materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley. Wanneer warmtedragende fononen tegen silicium-29 of silicium-30 botsen, kunnen ze van richting veranderen en vertragen.

Bovendien kan de warmteoverdracht slechter zijn in silicium nanodraden, zoals die worden gebruikt in gate-all-round FET's, omdat het ruwe oppervlak veroorzaakt door chemische verwerking de reis van fononen verder verstoort.

Bulk isotopisch zuiver silicium-28 was eerder onderzocht op zijn vermogen om warmte beter te geleiden, maar de toename, ongeveer 10%, was de extra verwerkingskosten niet waard.

De onderzoekers besloten deze eerdere bevindingen toe te passen op silicium nanodraden. Met behulp van een techniek genaamd stroomloos etsen, maakte het team natuurlijke silicium en silicium-28 nanodraden met een diameter van 90 nanometer.

Om de thermische geleidbaarheid te meten, hebben de onderzoekers elke nanodraad opgehangen tussen twee microverwarmingspads uitgerust met platina-elektroden en thermometers, en vervolgens een elektrische stroom op de elektrode aangebracht om warmte op één pad te genereren die via de nanodraad naar het andere pad stroomt.

"We verwachtten slechts een stapsgewijs voordeel te zien - ongeveer 20% - van het gebruik van isotopisch zuiver materiaal voor warmtegeleiding van nanodraad", zegt Junqiao Wu, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division en hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

In plaats daarvan ontdekten ze dat de Si-28-nanodraden de warmte 150% beter geleiden dan natuurlijke siliciumnanodraden met dezelfde diameter en oppervlakteruwheid.

Een deel van de verbetering kwam van de vorming van glasachtig siliciumdioxide op het oppervlak van de Si-28 nanodraad. Computationele simulatie toonde aan dat de afwezigheid van isotoop silicium-29 en silicium-30 verhinderde dat fononen naar het oppervlak ontsnapten, waar de siliciumdioxidelaag de fononen drastisch zou vertragen. Dit hield op zijn beurt fononen op het goede spoor in de richting van de warmtestroom.

“Dit was echt onverwacht. Om te ontdekken dat twee afzonderlijke fonon-blokkerende mechanismen - het oppervlak versus de isotopen, waarvan eerder werd aangenomen dat ze onafhankelijk van elkaar waren - nu synergetisch werken in ons voordeel in warmtegeleiding, is zeer verrassend maar ook zeer bevredigend, "zei Wu.

Wu zei dat het team vervolgens van plan is om te onderzoeken hoe de warmtegeleiding in deze materialen kan worden gecontroleerd in plaats van alleen te meten.

Koelen met kopercoating

Onderzoekers van de University of Illinois in Urbana-Champaign en University of California Berkeley stellen een methode voor om coole elektronica dat is compacter dan traditionele warmteverspreiders.

Het maakt gebruik van een koperen coating die het apparaat volledig bedekt, zei Tarek Gebrael, een Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) Ph.D. student werktuigbouwkunde, inclusief "de bovenkant, de onderkant en de zijkanten ... een conforme coating die alle blootgestelde oppervlakken bedekt."

Dit elimineert de noodzaak van een thermisch interfacemateriaal, merken de onderzoekers op, en vervangt de warmteverspreider en het koellichaam volledig. De coatings kunnen zowel in lucht als in water worden gebruikt, voor toepassingen met dompelkoeling.

"In ons onderzoek hebben we onze coatings vergeleken met standaard warmteafvoermethoden", zegt Gebrael. "Wat we hebben laten zien, is dat je met de coatings vergelijkbare thermische prestaties kunt krijgen, of zelfs betere prestaties, in vergelijking met de koellichamen." Bovendien is een apparaat dat gebruikmaakt van de nieuwe oplossing aanzienlijk kleiner dan een apparaat met koellichamen. “En dit vertaalt zich in een veel hoger vermogen per volume-eenheid. We konden een toename van 740% in het vermogen per volume-eenheid aantonen.”

"Deze technologie overbrugt twee afzonderlijke benaderingen voor thermisch beheer: koeling op apparaatniveau bij de knooppunten en warmteverspreiding op bordniveau", voegt Nenad Miljkovic, universitair hoofddocent mechanische wetenschappen en techniek bij UIUC, toe.

Gebrael gaf een voorbeeld van het ruimtebesparende potentieel. “Stel dat je meerdere printplaten hebt. Als je onze coating gebruikt, kun je veel meer printplaten in hetzelfde volume stapelen dan wanneer je conventionele vloeistof- of luchtgekoelde koellichamen gebruikt.” Toepassingen zijn onder meer koeling van vermogenselektronica, thermisch beheer van datacenters en koeling van elektrische machines.

De onderzoekers onderzoeken nog steeds de betrouwbaarheid en duurzaamheid van de coatings, inclusief betrouwbaarheid in kokend water, kokende diëlektrische vloeistoffen en omgevingen met hoog voltage. Ze zullen de coatings ook implementeren op volledige voedingsmodules en GPU-kaarten, terwijl ze in het eerste werk alleen eenvoudige testborden gebruikten.