Gli algoritmi dei computer potrebbero svolgere funzioni simili al cervello, come il riconoscimento facciale e la traduzione linguistica, ma i computer stessi devono ancora funzionare come cervelli.

"I computer hanno unità di elaborazione e memoria separate, considerando che il cervello utilizza i neuroni per svolgere entrambe le funzioni, " ha affermato Mark C. Hersam della Northwestern University. "Le reti neurali possono ottenere calcoli complicati con un consumo energetico significativamente inferiore rispetto a un computer digitale".

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno cercato modi per rendere i computer più neuromorfici, o simile al cervello, per svolgere compiti sempre più complessi con elevata efficienza. Ora Hersam, un Walter P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, e il suo team stanno avvicinando il mondo alla realizzazione di questo obiettivo.

Il team di ricerca ha sviluppato un nuovo dispositivo chiamato "memtransistor, " che funziona in modo molto simile a un neurone eseguendo sia la memoria che l'elaborazione delle informazioni. Con le caratteristiche combinate di un memristore e di un transistor, il memtransistor comprende anche più terminali che operano in modo più simile a una rete neurale.

Supportato dal National Institute of Standards and Technology e dalla National Science Foundation, la ricerca è stata pubblicata oggi online, 22 febbraio in Natura . Vinod K. Sangwan e Hong-Sub Lee, borsisti post-dottorato consigliati da Hersam, servito come co-primi autori del documento.

Il memtransistor si basa su un lavoro pubblicato nel 2015, in cui Hersam, Sangwan, e i loro collaboratori hanno utilizzato disolfuro di molibdeno monostrato (MoS2) per creare un tre terminali, memristore sintonizzabile su gate per un veloce, memoria digitale affidabile. Memristore, che è l'abbreviazione di "resistenze di memoria, " sono resistori in una corrente che "ricordano" la tensione precedentemente applicata loro. I tipici memristori sono dispositivi elettronici a due terminali, che può controllare solo un canale di tensione. Trasformandolo in un dispositivo a tre terminali, Hersam ha aperto la strada all'utilizzo dei memristori in circuiti e sistemi elettronici più complessi, come il calcolo neuromorfo.

Per sviluppare il memtransistor, Il team di Hersam ha nuovamente utilizzato MoS2 atomicamente sottile con confini dei grani ben definiti, che influenzano il flusso di corrente. Simile al modo in cui le fibre sono disposte nel legno, gli atomi sono organizzati in domini ordinati - chiamati "grani" - all'interno di un materiale. Quando viene applicata una tensione elevata, i bordi dei grani facilitano il movimento atomico, provocando un cambiamento di resistenza.

"Poiché il bisolfuro di molibdeno è atomicamente sottile, è facilmente influenzato dai campi elettrici applicati, " ha spiegato Hersam. "Questa proprietà ci permette di fare un transistor. Le caratteristiche del memristore derivano dal fatto che i difetti del materiale sono relativamente mobili, soprattutto in presenza di bordi di grano."

Ma a differenza del suo precedente memristor, che usava individuo, piccoli fiocchi di MoS2, Il memtransistor di Hersam utilizza un film continuo di MoS2 policristallino che comprende un gran numero di scaglie più piccole. Ciò ha consentito al team di ricerca di ampliare il dispositivo da un fiocco a molti dispositivi su un intero wafer.

"Quando la lunghezza del dispositivo è maggiore della granulometria individuale, hai la garanzia di avere bordi di grano in ogni dispositivo attraverso il wafer, " disse Hersam. "Così, vediamo riproducibile, risposte memristive sintonizzabili tramite gate su una vasta gamma di dispositivi."

Dopo aver fabbricato i memtransistor in modo uniforme su un intero wafer, Il team di Hersam ha aggiunto ulteriori contatti elettrici. I transistor tipici e il memristore precedentemente sviluppato da Hersam hanno ciascuno tre terminali. Nel loro nuovo documento, però, il team ha realizzato un dispositivo a sette terminali, in cui un terminale controlla la corrente tra gli altri sei terminali.

"Questo è ancora più simile ai neuroni nel cervello, "Hersam ha detto, "perché nel cervello, di solito non abbiamo un neurone connesso a un solo altro neurone. Anziché, un neurone è connesso a più altri neuroni per formare una rete. La nostra struttura del dispositivo consente più contatti, che è simile alle sinapsi multiple nei neuroni".

Prossimo, Hersam e il suo team stanno lavorando per rendere il memtransistor più veloce e più piccolo. Hersam prevede inoltre di continuare a espandere il dispositivo per scopi di produzione.

"Crediamo che il memtransistor possa essere un elemento circuitale fondamentale per nuove forme di calcolo neuromorfico, " ha detto. "Tuttavia, fare decine di dispositivi, come abbiamo fatto nel nostro giornale, è diverso che fare un miliardo, cosa che viene fatta oggi con la tecnologia a transistor convenzionale. Finora, non vediamo alcuna barriera fondamentale che impedisca un'ulteriore espansione del nostro approccio".