新型纳米流体忆阻器以基于离子的创新挑战冯·诺依曼瓶颈

洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出一种新型纳米流体忆阻器，这是一种模仿大脑高效离子信息处理的装置。与使用电子的传统忆阻器不同，这种装置使用钾、钠和钙等一系列离子来切换记忆状态和存储数据。这种创新方法可能会带来更具可扩展性、性能更强的存储器解决方案，甚至是用于脑机接口等应用的全液体电路。

一种新型纳米流体忆阻器利用离子模拟大脑的处理过程，提高了计算的效率和可扩展性。

记忆，即以随时可用的方式存储信息的能力，是计算机和人类大脑的基本操作。然而，它们在处理信息的方式上存在关键差异。人脑直接对存储的数据进行计算，而计算机则必须在内存单元和中央处理器（CPU）之间传输数据。这种低效率的分离被称为"冯-诺依曼瓶颈"（von Neumann bottleneck），是造成计算机能源成本上升的原因之一。

50 多年来，研究人员一直在研究忆阻器（memristor）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 工程学院纳米生物实验室（LBEN）的亚历山大-拉德诺维奇（Aleksandra Radenovic）将目光投向了更远大的目标：一种依靠离子而不是电子及其带相反电荷的对应物（空穴）的功能性纳米流体忆阻器。这种方法将更接近人脑处理信息的方式，因此更节能。

拉德诺维奇说："晶膜体已经被用于构建电子神经网络，但我们的目标是构建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。"

人工纳米流体突触可存储计算记忆。图片来源：©EPFL 2024 / Andras Kis

LBEN 博士后研究员泰奥-艾默里奇（Théo Emmerich）说："我们制造出了一种用于存储器应用的新型纳米流体设备，它的可扩展性和性能远远超过了以往的尝试。这使我们首次能够连接两个这样的'人工突触'，为设计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-电子学》上。"

Memristors in Practice：向离子转变

忆阻器可以通过操纵外加电压在两种电导状态（开和关）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 的忆阻器则可以利用一系列不同的离子。在研究中，研究人员将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，包括钠离子和钙离子。

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设备的内存，这将影响它从开启到关闭的切换方式，或者它能存储多少数据。"

内存技术的创新

在氮化硅膜的中心创建一个纳米孔，从而在 EPFL微纳技术中心的芯片上制造出了这种装置。研究人员添加了钯层和石墨层，为离子创建纳米通道。当电流流过芯片时，离子通过通道汇聚到孔隙，其压力在芯片表面和石墨之间形成一个水泡。当石墨层被水泡挤起时，器件的导电性就会增强，从而将存储状态切换为"开"。由于石墨层即使在没有电流的情况下也会保持上升状态，因此器件会"记住"先前的状态。负电压会使石墨层重新接触，从而将存储器重置为"关闭"状态。

"大脑中的离子通道在突触内会发生结构变化，因此这也是在模拟生物学，"LBEN 博士生滕云飞说，"他致力于制造这种装置，这种装置被称为高度不对称通道（HACs），指的是离子流向中心孔的形状。"

博士生内森-朗塞雷补充说，研究小组对 HAC 记忆动作的实时观察也是该领域的一项新成就。"因为我们面对的是一种全新的记忆现象，所以我们制造了一台显微镜来观察它的动作"。

未来方向和应用

通过与 Andras Kis 领导的纳米电子学与结构实验室的 Riccardo Chiesa 和 Edoardo Lopriore 合作，研究人员成功地将两个 HAC 与一个电极连接起来，形成了一个基于离子流的逻辑电路。这一成果首次展示了基于类似突触的离子装置的数字逻辑运算。

但研究人员并没有止步于此：他们的下一个目标是将 HAC 网络与水通道连接起来，以创建完全液态的电路。除了提供内置冷却机制外，水的使用还将促进生物兼容设备的开发，并有可能应用于脑机接口或神经医学。

编译自/ScitechDaily