洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員開發出一種新型奈米流體憶阻器，這是一種模仿大腦高效能離子訊息處理的裝置。與使用電子的傳統憶阻器不同，這種裝置使用鉀、鈉和鈣等一系列離子來切換記憶狀態和儲存資料。這種創新方法可能會帶來更具可擴展性、更具效能的記憶體解決方案，甚至是用於腦機介面等應用的全液體電路。

一種新型奈米流體憶阻器利用離子模擬大腦的處理過程，提高了計算的效率和可擴展性。

記憶，即以隨時可用的方式儲存資訊的能力，是電腦和人類大腦的基本操作。然而，它們在處理資訊的方式上存在關鍵差異。人腦直接對儲存的資料進行計算，而電腦則必須在記憶體單元和中央處理器（CPU）之間傳輸資料。這種低效率的分離被稱為”馮-諾依曼瓶頸”（von Neumann bottleneck），是造成電腦能源成本上升的原因之一。

50 多年來，研究人員一直在研究憶阻器（memristor）的概念，這是一種既能計算又能儲存資料的電子元件，就像突觸一樣。 EPFL 工程學院奈米生物實驗室（LBEN）的亞歷山大-拉德諾維奇（Aleksandra Radenovic）將目光投向了更遠大的目標：一種依靠離子而不是電子及其帶相反電荷的對應物（空穴）的功能性奈米流體憶阻器。這種方法會更接近人腦處理資訊的方式，因此更節能。

拉德諾維奇說：”晶膜體已經被用於構建電子神經網絡，但我們的目標是構建一個奈米流體神經網絡，利用離子濃度的變化，類似於生物體。”

人工奈米流體突觸可儲存計算記憶。圖片來源：©EPFL 2024 / Andras Kis

LBEN 博士後研究員泰奧-艾默里奇（Théo Emmerich）說：”我們製造出了一種用於記憶體應用的新型奈米流體設備，它的可擴展性和性能遠遠超過了以往的嘗試。這使我們首次能夠連接兩個這樣的’人工突觸’，為設計大腦啟發的液體硬體鋪平了道路。

Memristors in Practice：向離子轉變

憶阻器可以透過操縱外加電壓在兩種電導狀態（開和關）之間切換。電子憶阻器依靠電子和電洞來處理數位訊息，而LBEN 的憶阻器則可以利用一系列不同的離子。在研究中，研究人員將設備浸入含有鉀離子的電解質水溶液中，但也可以使用其他離子，包括鈉離子和鈣離子。

艾默里奇解釋說：”我們可以通過改變我們使用的離子來調整設備的內存，這將影響它從開啟到關閉的切換方式，或者它能存儲多少數據。”

記憶體技術的創新

在氮化矽膜的中心創建一個奈米孔，從而在EPFL微納技術中心的晶片上製造出了這種裝​​置。研究人員添加了鈀層和石墨層，為離子創建奈米通道。當電流流過晶片時，離子會經由通道匯聚到孔隙，其壓力在晶片表面和石墨之間形成一個水泡。當石墨層被水泡擠起時，裝置的導電性就會增強，從而將儲存狀態切換為”開”。由於石墨層即使在沒有電流的情況下也會保持上升狀態，因此裝置會”記住”先前的狀態。負電壓會使石墨層重新接觸，從而將記憶體重設為”關閉”狀態。

“大腦中的離子通道在突觸內會發生結構變化，因此這也是在模擬生物學，”LBEN 博士生滕雲飛說，”他致力於製造這種裝置，這種裝置被稱為高度不對稱通道（ HACs），指的是離子流向中心孔的形狀。

博士生內森-朗塞雷補充說，研究小組對HAC 記憶動作的即時觀察也是該領域的一項新成就。 “因為我們面對的是一種全新的記憶現象，所以我們製造了一台顯微鏡來觀察它的動作”。

未來方向與應用

透過與Andras Kis 領導的奈米電子學與結構實驗室的Riccardo Chiesa 和Edoardo Lopriore 合作，研究人員成功地將兩個HAC 與一個電極連接起來，形成了一個基於離子流的邏輯電路。這項成果首次展示了基於類似突觸的離子裝置的數位邏輯運算。

但研究人員並沒有止步於此：他們的下一個目標是將HAC 網路與水通道連接起來，以創建完全液態的電路。除了提供內建冷卻機制外，水的使用還將促進生物相容設備的開發，並有可能應用於腦機介面或神經醫學。

編譯自/ ScitechDaily