Аннотация:
Исследовательская группа из Вюрцбургского университета в Германии разработала электронное устройство с оксидным интерфейсом, которое может переключаться между тремя режимами: транзистором, мемристором и мемконденсатором в зависимости от способа подключения схемы. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует возможность интеграции вычислений, памяти и обработки сигналов на одной материальной платформе, предоставляя новые экспериментальные решения для вычислительного оборудования, основанного на мозге.
Устройство состоит из оксида алюминия лантана (LaAlO₃) и титаната стронция (SrTiO₃). Оба материала по отдельности являются изоляторами, но контактный интерфейс может образовывать чрезвычайно тонкий слой квазидвумерного электронного газа, позволяющий электронам перемещаться вдоль интерфейса. Исследователи контролировали этот проводящий канал через боковые ворота, чтобы создать структуру нанопроволоки; проводящий канал экспериментального устройства имел ширину около 100 нанометров, а расстояние между каналом и затвором — около 400 нанометров.
При различных условиях подключения и напряжения одно и то же устройство может вести себя как транзистор, мемристор или мемконденсатор. Транзисторы регулируют электрический ток; мемристоры сохраняют историю электрических сигналов благодаря изменениям сопротивления; а мемконденсаторы позволяют состояниям емкости изменяться в ответ на предыдущие входные данные. Такой эффект «памяти» позволяет схеме по-разному реагировать на последовательность последовательных импульсов, и исследовательская группа построила соответствующую схему расчета резервного пула.
Исследователи использовали черно-белое изображение размером 5×4 пикселя, чтобы продемонстрировать распознавание чисел от 0 до 9, преобразовали каждую строку изображения в импульсный вход, а затем использовали выходные данные устройства для формирования различных признаков состояния, а последующий уровень классификации оценивал число. В тесте использовался массив устройств из резервного пула и обучался выходной уровень; это аппаратная демонстрация конкретной задачи и не означает, что отдельный компонент обладает общими возможностями искусственного интеллекта. В статье также демонстрируется схема, состоящая из транзисторов и мемристоров, которые могут выполнять логику И и ИЛИ и сохранять результаты операции внутри схемы.
В конкретных условиях испытаний схемы цифрового распознавания исследовательская группа установила, что каждый входной импульс потребляет примерно 2,71 наноджоуля; Используя резервную схему управления, состоящую из транзисторов и мемристоров, он потребляет примерно 16,57 наноджоулей при аналогичных рабочих условиях. Этот результат отражает конфигурацию схемы, протестированную в статье, и не может быть напрямую приравнен к энергопотреблению всей системы искусственного интеллекта или реального продукта.
Исследователи полагают, что такие реконфигурируемые устройства могут помочь уменьшить необходимость передачи данных туда и обратно между процессором и памятью в традиционных вычислениях в будущем. Их также можно использовать в носимых устройствах для локальной обработки физиологических сигналов, таких как частота сердечных сокращений, артериальное давление, температура тела или уровень сахара в крови. Однако текущие результаты по-прежнему представляют собой лабораторные материалы и прототипы схем; крупномасштабное производство, стабильность, интеграция с существующими процессами микросхем, а также энергопотребление и производительность в реальных приложениях все еще нуждаются в дальнейшей проверке.
Комментарии