新型忆阻器用离子创新挑战冯·诺依曼瓶颈

一种新的纳米流体忆阻器通过使用离子来模拟大脑的处理，提高了计算的效率和可扩展性。

记忆，或以易于获取的方式存储信息的能力，是计算机和人脑的基本操作。然而，它们在处理信息的方式上有关键的区别。人脑直接对存储的数据进行计算，而计算机必须在存储单元和中央处理器（CPU）之间传输数据。这种低效的分离，被称为冯·诺伊曼瓶颈，导致了计算机能源成本的上升。

纳米流体忆阻器件的发展

50多年来，研究人员一直致力于记忆电阻器的概念，这是一种既能计算又能存储数据的电子元件，就像突触一样。EPFL工程学院纳米生物学实验室（LBEN）的亚历山德拉·拉德诺维奇（Aleksandra Radenovic）将目光投向了更雄心勃勃的目标：一种功能性纳米流体记忆装置，它依赖于离子，而不是电子及其相反的带电对应物（空穴）。这种方法将更接近地模仿人类大脑处理信息的方式，因此更节能。

拉德诺维奇说：“记忆电阻器已经被用于构建电子神经网络，但我们的目标是建立一个纳米流体神经网络，利用离子浓度的变化，类似于生物体。”

LBEN博士后研究员泰奥·艾默里奇（Théo Emmerich）：“我们已经制造了一种新的纳米流体存储设备，它比以前的尝试更具有可扩展性和更高的性能。这使我们第一次能够连接两个这样的‘人工突触’，为设计受大脑启发的液体硬件铺平了道路。”这项研究最近发表在《自然电子》杂志上。

忆阻器的应用：向离子的转变

忆阻器可以通过操纵施加的电压在两种电导状态 —— 导通和关断之间切换。电子忆阻器依靠电子和空穴来处理数字信息，而LBEN的忆阻器可以利用一系列不同的离子。在他们的研究中，研究人员将他们的设备浸入含有钾离子的电解质水溶液中，但也可以使用其他离子，包括钠和钙。

艾默里奇解释说：“我们可以通过改变我们使用的离子来调整我们设备的内存，这影响了它的开关方式，或者它存储了多少内存。”

存储技术创新

该装置是在EPFL的微纳米技术中心的芯片上制造的，通过在氮化硅膜的中心制造一个纳米孔。研究人员添加了钯和石墨层来创建离子的纳米通道。当电流流过芯片时，离子通过通道渗透并在孔处聚集，在那里它们的压力在芯片表面和石墨之间形成了一个水泡。当石墨层被水泡压上时，器件的导电性就会增强，从而将其记忆状态切换为“开”状态。因为即使没有电流，石墨层也会保持抬起的状态，所以设备会“记住”它之前的状态。负电压使各层重新接触，将存储器重置为“关闭”状态。

“大脑中的离子通道在突触内经历结构变化，所以这也模仿了生物学，”LBEN博士研究生滕云飞（音译）说，他致力于制造这种设备 —— 根据流向中心孔的离子的形状，被称为高度不对称通道（HACs）。

LBEN的博士生内森·龙塞雷（Nathan Ronceray）补充说，研究小组对HAC记忆活动的实时观察也是该领域的一项新成就。“因为我们正在研究一种全新的记忆现象，所以我们建造了一台显微镜来观察它的运作。”

未来发展方向及应用

通过与Andras Kis领导的纳米级电子与结构实验室的Riccardo Chiesa和Edoardo Lopriore合作，研究人员成功地将两个HACs与电极连接起来，形成基于离子流的逻辑电路。这一成就代表了基于类突触离子器件的数字逻辑运算的首次演示。但研究人员并没有止步于此：他们的下一个目标是将HACs网络与水通道连接起来，以创建全液体电路。除了提供一个内置的冷却机制外，水的使用将促进生物兼容设备的发展，在脑机接口或神经医学方面有潜在的应用。

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