26 марта 2024 г. (Nanowerk В центре внимания) В области вычислений электроника транзистор уже давно является доминирующей технологией. С момента своего изобретения в 1947 году это крошечное устройство стало основой современной электроники, сделав возможным цифровую революцию, которая изменила почти все аспекты нашей жизни. Однако, несмотря на повсеместное распространение и беспрецедентный успех, электронный транзистор имеет свои ограничения. Высокое энергопотребление, уязвимость к экстремальным условиям окружающей среды и отсутствие прямого взаимодействия с внешними раздражителями, такими как тепло, сила и давление, побудили исследователей изучить альтернативные подходы к вычислениям. Именно здесь на помощь приходят механические вычисления. В отличие от электронных вычислений, механические вычисления основаны на физическом манипулировании материалами и конструкциями для выполнения логических операций. Этот подход предлагает несколько преимуществ, в том числе более низкое энергопотребление, повышенную безопасность и возможность работать в суровых условиях, где электронные компоненты часто выходят из строя. Более того, механические вычислительные устройства могут быть спроектированы так, чтобы напрямую реагировать на воздействие окружающей среды и обрабатывать ее, открывая новые возможности для децентрализованных интеллектуальных и адаптивных систем. Несмотря на потенциал механических вычислений, прогрессу в этой области препятствует разовый характер существующих разработок. Большинство исследований было сосредоточено на создании простых логических элементов, которым не хватает модульности и масштабируемости, необходимых для более сложных приложений. Кроме того, многие механические вычислительные системы по-прежнему полагаются на ручной сброс или электрические сигналы для ввода и вывода, что ограничивает их автономность и чувствительность к окружающей среде. Теперь группа исследователей из Шанхайского университета Цзяо Тонг добилась значительного прогресса в решении этих проблем. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Расширенные функциональные материалы («Тепловые вычисления на механических транзисторах»), они представляют новый механический транзистор, сочетающий в себе термочувствительный материал и переключаемую структуру. Этот инновационный дизайн позволяет создавать сложные логические схемы и запоминающие устройства без необходимости использования электричества.
Механический транзистор для тепловых вычислений. а) Схема механического транзистора, состоящего из трех входных клемм (i)-(iii) и одной выходной клеммы для передачи температурных сигналов, бистабильного привода (iv) и термомеханического датчика в стиле Киригами (v), изготовленного из асимметричного смещения. усилитель из поликарбоната (ПК) и инварного сплава. Размеры l и w составляют 250 и 85 мм соответственно. (Изображение адаптировано из doi:10.1002/adfm.202401244 с разрешения Wiley-VCH Verlag) Механический транзистор, разработанный исследовательской группой, состоит из трех тепловых входных клемм и одной тепловой выходной клеммы, а также переключаемого компонента и термочувствительного материала. . Чувствительный к температуре материал, изготовленный из комбинации поликарбоната и инварного сплава, меняет форму в ответ на изменения температуры. При нагревании он удлиняется, при охлаждении сжимается. Это изменение формы используется для управления состоянием переключаемого компонента, который может переключаться между двумя стабильными конфигурациями для представления двоичных состояний.
Располагая эти механические транзисторы в различных конфигурациях, исследователи демонстрируют способность создавать полный набор логических вентилей, включая НЕ, ИЛИ, И, НИ, И-НЕ, исключающее ИЛИ и исключающее ИЛИ. Примечательно, что один механический транзистор можно перепрограммировать для выполнения различных логических функций, просто перенастроив источники теплового входа, что обеспечивает уровень гибкости и эффективности, невиданный в электронных схемах.
Механические транзисторы также можно комбинировать для создания более сложных вычислительных элементов. Исследователи показывают, как два соединенных между собой механических транзистора могут сформировать базовую единицу памяти, способную хранить и извлекать информацию. Кроме того, используя полимер с памятью формы в переключаемом компоненте, они обеспечивают функциональность энергонезависимой памяти, то есть сохраненная информация сохраняется даже при выключении устройства. Такая интеграция логики и памяти в одном устройстве открывает путь к вычислениям в памяти — парадигме, которая обещает преодолеть ограничения традиционных вычислительных архитектур.
Чтобы продемонстрировать потенциал своих механических транзисторов, исследователи конструируют арифметико-логический блок, ключевой компонент вычислительных систем. Примечательно, что их конструкция требует всего семь механических транзисторов для выполнения той же арифметической операции, для которой обычно требуется 38 электронных транзисторов. Такое резкое сокращение количества компонентов подчеркивает эффективность и масштабируемость подхода механических вычислений.
Помимо чистых вычислений, исследователи также демонстрируют, как их механические транзисторы могут способствовать созданию экологически адаптивных систем. Расположив два механических транзистора последовательно, они создают устройство, способное реагировать на изменения температуры окружающей среды и управлять раскрытием солнечных панелей. Это приложение иллюстрирует потенциал механических вычислений для создания автономных систем, которые могут взаимодействовать и адаптироваться к окружающей среде, например, в аэрокосмической отрасли, где электронные компоненты могут оказаться непригодными из-за экстремальных колебаний температуры и радиационного воздействия.
Хотя разработка этого механического транзистора представляет собой важную веху в области механических вычислений, проблемы остаются. Рассеяние тепла и потери проводимости являются критически важными факторами для масштабируемости и практического применения этих устройств. Будущие исследования должны будут решить эти проблемы, чтобы полностью реализовать потенциал механических вычислений.
Тем не менее, механический транзистор, разработанный этой исследовательской группой, позволяет заглянуть в будущее, где границы между вычислениями и физическим миром становятся все более размытыми. Используя присущие свойствам материалов и конструкций, механические вычисления могут открыть новую волну адаптивных, эффективных и экологически чувствительных систем.
Механический транзистор для тепловых вычислений. а) Схема механического транзистора, состоящего из трех входных клемм (i)-(iii) и одной выходной клеммы для передачи температурных сигналов, бистабильного привода (iv) и термомеханического датчика в стиле Киригами (v), изготовленного из асимметричного смещения. усилитель из поликарбоната (ПК) и инварного сплава. Размеры l и w составляют 250 и 85 мм соответственно. (Изображение адаптировано из doi:10.1002/adfm.202401244 с разрешения Wiley-VCH Verlag) Механический транзистор, разработанный исследовательской группой, состоит из трех тепловых входных клемм и одной тепловой выходной клеммы, а также переключаемого компонента и термочувствительного материала. . Чувствительный к температуре материал, изготовленный из комбинации поликарбоната и инварного сплава, меняет форму в ответ на изменения температуры. При нагревании он удлиняется, при охлаждении сжимается. Это изменение формы используется для управления состоянием переключаемого компонента, который может переключаться между двумя стабильными конфигурациями для представления двоичных состояний.
Располагая эти механические транзисторы в различных конфигурациях, исследователи демонстрируют способность создавать полный набор логических вентилей, включая НЕ, ИЛИ, И, НИ, И-НЕ, исключающее ИЛИ и исключающее ИЛИ. Примечательно, что один механический транзистор можно перепрограммировать для выполнения различных логических функций, просто перенастроив источники теплового входа, что обеспечивает уровень гибкости и эффективности, невиданный в электронных схемах.
Механические транзисторы также можно комбинировать для создания более сложных вычислительных элементов. Исследователи показывают, как два соединенных между собой механических транзистора могут сформировать базовую единицу памяти, способную хранить и извлекать информацию. Кроме того, используя полимер с памятью формы в переключаемом компоненте, они обеспечивают функциональность энергонезависимой памяти, то есть сохраненная информация сохраняется даже при выключении устройства. Такая интеграция логики и памяти в одном устройстве открывает путь к вычислениям в памяти — парадигме, которая обещает преодолеть ограничения традиционных вычислительных архитектур.
Чтобы продемонстрировать потенциал своих механических транзисторов, исследователи конструируют арифметико-логический блок, ключевой компонент вычислительных систем. Примечательно, что их конструкция требует всего семь механических транзисторов для выполнения той же арифметической операции, для которой обычно требуется 38 электронных транзисторов. Такое резкое сокращение количества компонентов подчеркивает эффективность и масштабируемость подхода механических вычислений.
Помимо чистых вычислений, исследователи также демонстрируют, как их механические транзисторы могут способствовать созданию экологически адаптивных систем. Расположив два механических транзистора последовательно, они создают устройство, способное реагировать на изменения температуры окружающей среды и управлять раскрытием солнечных панелей. Это приложение иллюстрирует потенциал механических вычислений для создания автономных систем, которые могут взаимодействовать и адаптироваться к окружающей среде, например, в аэрокосмической отрасли, где электронные компоненты могут оказаться непригодными из-за экстремальных колебаний температуры и радиационного воздействия.
Хотя разработка этого механического транзистора представляет собой важную веху в области механических вычислений, проблемы остаются. Рассеяние тепла и потери проводимости являются критически важными факторами для масштабируемости и практического применения этих устройств. Будущие исследования должны будут решить эти проблемы, чтобы полностью реализовать потенциал механических вычислений.
Тем не менее, механический транзистор, разработанный этой исследовательской группой, позволяет заглянуть в будущее, где границы между вычислениями и физическим миром становятся все более размытыми. Используя присущие свойствам материалов и конструкций, механические вычисления могут открыть новую волну адаптивных, эффективных и экологически чувствительных систем.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнокачества
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
