Ngày 26 tháng 2024 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Trong lĩnh vực máy tính, điện tử bóng bán dẫn từ lâu đã là công nghệ thống trị. Kể từ khi được phát minh vào năm 1947, thiết bị nhỏ bé này đã trở thành nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại, tạo điều kiện cho cuộc cách mạng kỹ thuật số làm thay đổi gần như mọi khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, bất chấp sự phổ biến và thành công chưa từng có của nó, bóng bán dẫn điện tử vẫn có những hạn chế. Tiêu thụ điện năng cao, dễ bị tổn thương trước các điều kiện môi trường khắc nghiệt và thiếu tương tác trực tiếp với các kích thích bên ngoài như nhiệt, lực và áp suất đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu khám phá các phương pháp tính toán thay thế. Đây là lúc điện toán cơ học xuất hiện. Không giống như điện toán điện tử, điện toán cơ học dựa vào thao tác vật lý của vật liệu và cấu trúc để thực hiện các hoạt động logic. Cách tiếp cận này mang lại một số ưu điểm, bao gồm mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, tăng cường bảo mật và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt nơi các linh kiện điện tử thường bị hỏng. Hơn nữa, các thiết bị điện toán cơ học có thể được thiết kế để đáp ứng và xử lý trực tiếp các đầu vào của môi trường, mở ra những khả năng mới cho các hệ thống thích ứng và trí tuệ phi tập trung. Bất chấp tiềm năng của điện toán cơ học, tiến bộ trong lĩnh vực này vẫn bị cản trở bởi tính chất đặc biệt của các thiết kế hiện có. Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc tạo ra các cổng logic đơn giản, thiếu tính mô đun và khả năng mở rộng cần thiết cho các ứng dụng nâng cao hơn. Ngoài ra, nhiều hệ thống máy tính cơ học vẫn dựa vào việc đặt lại thủ công hoặc tín hiệu điện cho đầu vào và đầu ra, hạn chế khả năng tự chủ và khả năng đáp ứng với môi trường của chúng. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc giải quyết những thách thức này. Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Vật liệu chức năng nâng cao (“Tính toán nhiệt với bóng bán dẫn cơ học”), họ giới thiệu một bóng bán dẫn cơ học mới kết hợp vật liệu phản ứng với nhiệt độ và cấu trúc có thể chuyển đổi được. Thiết kế sáng tạo này cho phép xây dựng các mạch logic phức tạp và bộ nhớ lưu trữ mà không cần đến điện.
Một Transistor cơ học cho tính toán nhiệt. a) Sơ đồ một bóng bán dẫn cơ học bao gồm ba đầu vào (i)-(iii) và một đầu ra để truyền tín hiệu nhiệt độ, một bộ truyền động ổn định (iv) và một cảm biến cơ nhiệt lấy cảm hứng từ Kirigami (v) được chế tạo từ một chuyển vị không đối xứng bộ khuếch đại bao gồm polycarbonate (PC) và hợp kim invar. Kích thước của l và w lần lượt là 250 và 85 mm. (Hình ảnh được điều chỉnh từ doi:10.1002/adfm.202401244 với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Bóng bán dẫn cơ học do nhóm nghiên cứu phát triển bao gồm ba đầu vào nhiệt và một đầu ra nhiệt, cùng với một thành phần có thể chuyển đổi và một vật liệu phản ứng với nhiệt độ . Vật liệu phản ứng với nhiệt độ, được làm từ sự kết hợp của polycarbonate và hợp kim invar, thay đổi hình dạng để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Khi đun nóng, nó giãn ra và khi làm lạnh, nó co lại. Sự thay đổi hình dạng này được sử dụng để kiểm soát trạng thái của thành phần có thể chuyển đổi, thành phần này có thể chuyển đổi giữa hai cấu hình ổn định để thể hiện trạng thái nhị phân.
Bằng cách sắp xếp các bóng bán dẫn cơ học này theo nhiều cấu hình khác nhau, các nhà nghiên cứu chứng minh khả năng xây dựng một bộ cổng logic đầy đủ, bao gồm NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR và XNOR. Đáng chú ý, một bóng bán dẫn cơ học có thể được lập trình lại để thực hiện các chức năng logic khác nhau chỉ bằng cách cấu hình lại các nguồn đầu vào nhiệt, mang lại mức độ linh hoạt và hiệu quả chưa từng thấy trong các mạch điện tử.
Các bóng bán dẫn cơ học cũng có thể được kết hợp để tạo ra các phần tử tính toán phức tạp hơn. Các nhà nghiên cứu cho thấy hai bóng bán dẫn cơ học được kết nối với nhau có thể tạo thành một đơn vị bộ nhớ cơ bản, có khả năng lưu trữ và truy xuất thông tin như thế nào. Hơn nữa, bằng cách sử dụng polyme bộ nhớ hình dạng trong thành phần có thể chuyển đổi, chúng kích hoạt chức năng bộ nhớ ổn định, nghĩa là thông tin được lưu trữ sẽ được giữ lại ngay cả khi thiết bị tắt nguồn. Sự tích hợp logic và bộ nhớ trong cùng một thiết bị này mở đường cho điện toán trong bộ nhớ, một mô hình hứa hẹn sẽ khắc phục những hạn chế của kiến trúc điện toán truyền thống.
Để thể hiện tiềm năng của các bóng bán dẫn cơ học, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một đơn vị logic số học, một thành phần quan trọng của hệ thống máy tính. Điều đáng chú ý là thiết kế của họ chỉ cần bảy bóng bán dẫn cơ học để thực hiện cùng một phép toán số học mà thông thường cần tới 38 bóng bán dẫn điện tử. Việc giảm đáng kể số lượng thành phần này làm nổi bật tính hiệu quả và khả năng mở rộng của phương pháp tính toán cơ học.
Ngoài khả năng tính toán thuần túy, các nhà nghiên cứu còn chứng minh cách các bóng bán dẫn cơ học của họ có thể kích hoạt các hệ thống thích ứng với môi trường. Bằng cách sắp xếp hai bóng bán dẫn cơ học theo trình tự, họ tạo ra một thiết bị có khả năng đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ môi trường để điều khiển việc triển khai các tấm pin mặt trời. Ứng dụng này minh họa tiềm năng của điện toán cơ học nhằm hỗ trợ các hệ thống tự động có thể tương tác và thích ứng với môi trường xung quanh, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ, nơi các linh kiện điện tử có thể không phù hợp do biến động nhiệt độ quá cao và tiếp xúc với bức xạ.
Mặc dù sự phát triển của bóng bán dẫn cơ học này đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực điện toán cơ học nhưng vẫn còn nhiều thách thức. Tản nhiệt và tổn thất dẫn điện là những cân nhắc quan trọng đối với khả năng mở rộng và ứng dụng thực tế của các thiết bị này. Nghiên cứu trong tương lai sẽ cần giải quyết những vấn đề này để nhận ra đầy đủ tiềm năng của máy tính cơ học.
Tuy nhiên, bóng bán dẫn cơ học do nhóm nghiên cứu này phát triển mang đến cái nhìn thoáng qua về một tương lai nơi ranh giới giữa tính toán và thế giới vật lý ngày càng mờ nhạt. Bằng cách khai thác các đặc tính vốn có của vật liệu và cấu trúc, điện toán cơ học có tiềm năng mở ra một làn sóng mới về các hệ thống thích ứng, hiệu quả và đáp ứng môi trường.
Một Transistor cơ học cho tính toán nhiệt. a) Sơ đồ một bóng bán dẫn cơ học bao gồm ba đầu vào (i)-(iii) và một đầu ra để truyền tín hiệu nhiệt độ, một bộ truyền động ổn định (iv) và một cảm biến cơ nhiệt lấy cảm hứng từ Kirigami (v) được chế tạo từ một chuyển vị không đối xứng bộ khuếch đại bao gồm polycarbonate (PC) và hợp kim invar. Kích thước của l và w lần lượt là 250 và 85 mm. (Hình ảnh được điều chỉnh từ doi:10.1002/adfm.202401244 với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Bóng bán dẫn cơ học do nhóm nghiên cứu phát triển bao gồm ba đầu vào nhiệt và một đầu ra nhiệt, cùng với một thành phần có thể chuyển đổi và một vật liệu phản ứng với nhiệt độ . Vật liệu phản ứng với nhiệt độ, được làm từ sự kết hợp của polycarbonate và hợp kim invar, thay đổi hình dạng để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Khi đun nóng, nó giãn ra và khi làm lạnh, nó co lại. Sự thay đổi hình dạng này được sử dụng để kiểm soát trạng thái của thành phần có thể chuyển đổi, thành phần này có thể chuyển đổi giữa hai cấu hình ổn định để thể hiện trạng thái nhị phân.
Bằng cách sắp xếp các bóng bán dẫn cơ học này theo nhiều cấu hình khác nhau, các nhà nghiên cứu chứng minh khả năng xây dựng một bộ cổng logic đầy đủ, bao gồm NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR và XNOR. Đáng chú ý, một bóng bán dẫn cơ học có thể được lập trình lại để thực hiện các chức năng logic khác nhau chỉ bằng cách cấu hình lại các nguồn đầu vào nhiệt, mang lại mức độ linh hoạt và hiệu quả chưa từng thấy trong các mạch điện tử.
Các bóng bán dẫn cơ học cũng có thể được kết hợp để tạo ra các phần tử tính toán phức tạp hơn. Các nhà nghiên cứu cho thấy hai bóng bán dẫn cơ học được kết nối với nhau có thể tạo thành một đơn vị bộ nhớ cơ bản, có khả năng lưu trữ và truy xuất thông tin như thế nào. Hơn nữa, bằng cách sử dụng polyme bộ nhớ hình dạng trong thành phần có thể chuyển đổi, chúng kích hoạt chức năng bộ nhớ ổn định, nghĩa là thông tin được lưu trữ sẽ được giữ lại ngay cả khi thiết bị tắt nguồn. Sự tích hợp logic và bộ nhớ trong cùng một thiết bị này mở đường cho điện toán trong bộ nhớ, một mô hình hứa hẹn sẽ khắc phục những hạn chế của kiến trúc điện toán truyền thống.
Để thể hiện tiềm năng của các bóng bán dẫn cơ học, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một đơn vị logic số học, một thành phần quan trọng của hệ thống máy tính. Điều đáng chú ý là thiết kế của họ chỉ cần bảy bóng bán dẫn cơ học để thực hiện cùng một phép toán số học mà thông thường cần tới 38 bóng bán dẫn điện tử. Việc giảm đáng kể số lượng thành phần này làm nổi bật tính hiệu quả và khả năng mở rộng của phương pháp tính toán cơ học.
Ngoài khả năng tính toán thuần túy, các nhà nghiên cứu còn chứng minh cách các bóng bán dẫn cơ học của họ có thể kích hoạt các hệ thống thích ứng với môi trường. Bằng cách sắp xếp hai bóng bán dẫn cơ học theo trình tự, họ tạo ra một thiết bị có khả năng đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ môi trường để điều khiển việc triển khai các tấm pin mặt trời. Ứng dụng này minh họa tiềm năng của điện toán cơ học nhằm hỗ trợ các hệ thống tự động có thể tương tác và thích ứng với môi trường xung quanh, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ, nơi các linh kiện điện tử có thể không phù hợp do biến động nhiệt độ quá cao và tiếp xúc với bức xạ.
Mặc dù sự phát triển của bóng bán dẫn cơ học này đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực điện toán cơ học nhưng vẫn còn nhiều thách thức. Tản nhiệt và tổn thất dẫn điện là những cân nhắc quan trọng đối với khả năng mở rộng và ứng dụng thực tế của các thiết bị này. Nghiên cứu trong tương lai sẽ cần giải quyết những vấn đề này để nhận ra đầy đủ tiềm năng của máy tính cơ học.
Tuy nhiên, bóng bán dẫn cơ học do nhóm nghiên cứu này phát triển mang đến cái nhìn thoáng qua về một tương lai nơi ranh giới giữa tính toán và thế giới vật lý ngày càng mờ nhạt. Bằng cách khai thác các đặc tính vốn có của vật liệu và cấu trúc, điện toán cơ học có tiềm năng mở ra một làn sóng mới về các hệ thống thích ứng, hiệu quả và đáp ứng môi trường.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64923.php
