آخرین اخبار

ساخت سیناپس‌های الکترونیکی با استفاده از فیلم‌های اکسید هافنیوم

ساخت سیناپس‌های الکترونیکی با استفاده از فیلم‌های اکسید هافنیوم
نوشته شده توسط تیم رصد علمنا

محققان موسسه فیزیک و فناوری مسکو (MIPT) موفق به ابداع نمونه‌های اولیه‌‌ای از سیناپس‌های الکترونیکی بر اساس فیلم‌های بسیار نازک اکسید هافنیوم(HfO2) شدند که در سیستم‌های محاسباتی آینده کاربرد دارند…..

محققان موسسه فیزیک و فناوری مسکو (MIPT) به‌تازگی موفق به ساخت مموریستورهایی با ابعاد ۴۰در۴۰ نانومتر شدند. این نانوساختارها خصوصیاتی از خود نشان می‌دهند که بسیار شبیه به سیناپس‌های زیستی هستند که در آینده می‌توان از این فناوری جدید برای طراحی کامپیوترهایی که مشابه با شبکه‌های عصبی کار می‌‌کنند، استفاده کرد.
مموریستورها ابزارهایی هستند که قادر به تغییر حالت هدایت خود براساس بار عبوری از آنها هستند و دارای یک حافظه از تاریخچه فعالیت‌های خود هستند. در این کار تحقیقاتی، دانشمندان از ابزارهای ساخته شده از فیلم نازک اکسید هافنیوم استفاده کردند.
اکسید هافنیوم هم اکنون در پردازنده‌های مدرن استفاده می‌شود و بنابراین می‌توان انتظار داشت که در نهایت این فناوری جدید در پروسه‌های صنعتی کاربرد داشته باشد.
در یک مدل ساده‌تر، مموریستورها سلول‌های حافظه غیرفرار دودوئی نویدبخشی هستند که در آنها اطلاعات توسط تغییر مقاومت الکتریکی نوشته می‌شوند.
متویوف ، محقق نانوالکترونیک MIPT می‌گوید: آنچه را که ما برای اثبات آن تلاش می‌کنیم، بسیار پیچیده‌تر از عملکرد مموریستورها است. آنها مشابه با سیناپس‌های زیستی هستند.
سیناپس یک نقطه تماس بین نورون‌هاست و عمل اصلی آن انتقال یک سیگنال از یک نورون به نورون دیگر است. هر نورون ممکن است هزاران سیناپس داشته باشد. این بیانگر این است که اطلاعات به‌صورت موازی در مغز انسان پردازش می‌شوند در حالیکه در کامپیوترهای مدرن امروزی اطلاعات به‌صورت پشت‌سرهم و سری پردازش می‌شوند. به‌همین دلیل است که شبکه‌های عصبی هم در مصرف انرژی و هم در سرعت حل مسایل همچون تشخیص صدا/تصویر بسیار ارزشمند هستند.
وزن سیناپس‌ها به مرور زمان تغییر می‌کند یعنی توانایی آنها برای ارسال سیگنال تغییر می‌کند. این خصیصه یک نقش اساسی و حیاتی برای درک حافظه و عملکرد یادگیری مغز ایفا می‌کند.
اگر یک سیناپس، سیگنالی را از یک نورون به نورون دیگر انتقال دهد، در این صورت هدایت آن بالا تلقی می‌شود و اگر از عبور سیگنال جلوگیری کند هدایت آن پایین تلقی می‌شود. سیناپس‌ها همیشه در دو مد روشن و خاموش کار نمی‌کنند، بلکه می‌توانند مقادیر میانگینی از هدایت را نیز اختیار کنند. اگر لازم است تا آنها با ابزارهای ویژه‌ای شبیه‌سازی شوند، این ابزارها باید دارای خصوصیات مشابهی باشند.
برای طراحی مموریستورها می‌توان از تعدادی از اثرات فیزیکی استفاده کرد. در این مطالعه محققان از یک فیلم نازک اکسید هافنیوم استفاده کردند که دارای پتانسیل نمایش اثر شکست الکتریکی نرم (برگشت‌پذیر) تحت یک میدان الکتریکی خارجی اعمال شده است. دو حالت متفاوت صفر منطقی را رمزنویسی می‌کنند و اغلب توسط این ابزارها استفاده می‌شوند. لازم است تا از یک طیف پیوسته هدایت الکتریکی در ابزارها برای شبیه‌سازی سیناپس‌های زیستی استفاده شود.
زاخارچنکو یکی دیگر از محققان نانوالکترونیک MIPT می‌گوید: مکانیسم فیزیکی عملکرد مموریستورها هنوز مورد بحث و گفتگو است، با این حال مدل کیفی به قرار زیر است: در ساختار فلز-فیلم نازک اکسید-فلز، نقص‌های نقطه‌ای باردار تشکیل می‌شوند و هنگامی‌که در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، در سرتاسر لایه اکسیدی حرکت می‌کنند. این نقص‌ها مسئول تغییرات برگشت‌پذیر هدایت در لایه اکسیدی هستند.
محققان همچنین از مموریستورهای مشابه برای طراحی مکانیسم‌های یادگیری متفاوت سیناپس‌های زیستی استفاده کردند. این آزمایشات شامل عملکردهایی همچون ضعف طولانی مدت(LTD) و قدرت طولانی‌مدت (LTP) یک اتصال بین دو نورون می‌باشد. به‌طور کلی این عملکردها برای بررسی مکانیسم‌های حافظه مغز استفاده می‌شوند.
همچنین محققان در نشان‌دادن یک مکانیسم بسیار پیچیده که تحت عنوان pike-timing-dependent plasticity شناخته می‌شود، موفق عمل کردند. قبلاً مشخص شده بود که این مکانیسم پیچیده مسئول یادگیری انجمنی(associative learning) است
براساس نتایج بدست آمده محققان بیان می‌کنند که از ابزارهای ساخته شده توسط آنها می‌توان به‌عنوان یک نمونه اولیه سیناپس الکترونیکی استفاده کرد. بنابراین از این سیناپس‌های الکتریکی می‌توان به ‌عنوان شالوده و اساس سخت‌افزار شبکه‌های عصبی مصنوعی استفاده کرد.

درباره نویسنده

تیم رصد علمنا

دیدگاه شما چیست