人工纳米流体突触可实现存内计算

人工纳米流体突触可实现存内计算。

瑞士洛桑联邦理工学院工程学院研究团队制造了一种用于内存的新型纳米流体设备，这使他们第一次能连接两个“人工突触”。该设备为受大脑启发的液体硬件设计铺平了道路。这项研究发表在最新一期《自然·电子学》杂志上。

大脑信息处理是直接对存储的数据执行计算，而计算机则在内存单元和中央处理单元之间来回传输数据。这种低效的分离（冯诺依曼瓶颈）导致计算机能源成本不断上升。

自20世纪70年代以来，研究人员一直致力于研究忆阻器。这是一种电子元件，可像突触一样计算和存储数据。但洛桑联邦理工学院工程学院纳米生物学实验室构建了一种依赖离子而不是电子的功能性纳米流体忆阻器件。这种器件更接近大脑节能的信息处理方式。

电子忆阻器依靠电子和空穴来处理数字信息，而新开发的忆阻器可利用一系列不同的离子来处理。该器件在芯片上制造，方法是在氮化硅膜的中心创建一个纳米孔。研究人员添加了钯和石墨层来创建离子纳米通道。当电流流过芯片，离子通过通道并聚集在孔隙处时，芯片表面和石墨之间产生气泡。当石墨层被气泡迫使向上时，该器件变得更加导电，并将存储状态切换为“开启”。当负电压使各层重新接触，存储器则重置为“关闭”状态。

研究人员表示，大脑中的离子通道在突触内经历了结构变化，根据离子流向中央毛孔的形状，该器件被称为高度不对称通道。团队成功地将两个高度不对称通道与一个电极连接起来，从而形成基于离子流的逻辑电路。

只要将器件浸入含有离子的电解质水溶液中，通过改变离子，譬如钾、钠和钙，就会调整器件的内存，从而影响它从打开到关闭的方式以及它的内存量。这一手法非常新奇。研究人员接下来还可以将这一器件与水道连接起来，创建全液体回路。这样不但能构建内置冷却机制，水的使用还将促进生物相容性器件的开发。可以想见，这些器件在脑机接口和神经医学方面将具有非凡的应用。