دانشمندان یک ترانزیستور را به نورون مغزی تبدیل کردند
پژوهشگران دانشگاه هنگکنگ موفق به توسعه نوعی سختافزار الکترونیکی الهامگرفته از مغز شدهاند که میتواند در دماهای نزدیک به صفر مطلق کار کند و عملکردی شبیه سلولهای عصبی داشته باشد. این دستاورد میتواند یکی از چالشهای مهم توسعه رایانههای کوانتومی بزرگتر را برطرف کند و مسیر را برای ساخت سامانههای پردازشی نسل آینده در محیطهای فوقسرد و حتی ماموریتهای فضایی دوردست هموار سازد.
به گزارش ساینس دیلی، این پژوهش توسط دانشمندان دانشکده مهندسی برق و الکترونیک دانشگاه هنگکنگ و مرکز مدارهای مجتمع و نیمهرساناهای پیشرفته (CASIC) انجام شده است. تیم تحقیقاتی به سرپرستی یوهائو ژانگ و دانشجوی دکتری شین یانگ یک پلتفرم نورومورفیک قابل برنامهریزی طراحی کردهاند که میتواند در شرایط دمایی بسیار پایین عملکرد پایدار داشته باشد.
ترانزیستوری با رفتار شبیه نورونهای مغز
محققان با ایجاد روشی جدید برای کنترل پدیدهای به نام مقاومت تفاضلی منفی (Negative Differential Resistance یا NDR) در ترانزیستورهای MOSFET ساختهشده از ماده کاربید سیلیکون (SiC) توانستند برای نخستین بار نشان دهند که یک ترانزیستور منفرد قادر است رفتار شلیکهای عصبی یا فعالیتهای پالسی مشابه نورونهای زیستی را در دمای تنها ۱۰ میلیکلوین (mK) بازسازی کند.
این ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا رایانههای کوانتومی برای حفظ حالت کوانتومی کیوبیتها باید در دماهای بسیار نزدیک به صفر مطلق کار کنند. کیوبیتها به شدت به گرما و نویزهای محیطی حساس هستند و معمولا در دماهایی نزدیک به چند میلیکلوین نگهداری میشوند، اما یکی از مشکلات اصلی فناوریهای فعلی این است که مدارهای الکترونیکی کنترلکننده کیوبیتها انرژی زیادی مصرف میکنند و گرما تولید میکنند. به همین دلیل این تجهیزات معمولا در فاصلهای دورتر از بخش کوانتومی قرار میگیرند و ارتباط میان آنها از طریق تعداد زیادی سیم انجام میشود موضوعی که پیچیدگی سیستم را افزایش داده و توسعه رایانههای کوانتومی بزرگتر را دشوار میکند.
ژانگ درباره این فناوری گفت: این کار یک پلتفرم سختافزاری ارائه میدهد که میتواند در کنار پردازندههای کوانتومی ادغام شود. با استفاده از ویژگیهای منحصربهفرد حاملهای بار در کاربید سیلیکون میتوان مدارهایی ساخت که هزاران برابر انرژی کمتری نسبت به الکترونیک معمولی مصرف میکنند و بار حرارتی سیستمهای سرمایشی را به میزان قابل توجهی کاهش میدهند.
رفتار متفاوت کاربید سیلیکون در سرمای شدید
این تیم تحقیقاتی دریافت که ترانزیستورهای SiC MOSFET زمانی که دمای آنها به کمتر از ۲ کلوین میرسد رفتار متفاوتی از خود نشان میدهند. در این شرایط این قطعات یک اثر ویژه به شکل NDR با منحنی S شکل ایجاد میکنند که ناشی از پدیدهای به نام یونیزاسیون ضربهای دهندههای الکترونی (EDII) است.
برخلاف برخی فناوریهای دیگر که عملکرد آنها به فرآیندهای وابسته به گرما متکی است این اثر از ساختار اتمی خود ماده ناشی میشود. پژوهشگران میگویند همین ویژگی باعث میشود عملکرد این قطعات پایدار، قابل تکرار و مناسب برای تولید صنعتی باشد.
شین یانگ، پژوهشگر این پروژه اظهار کرد: این یک رویکرد مقاوم و مقیاسپذیر است. از آنجا که کاربید سیلیکون هماکنون در صنایع خودروهای برقی و شبکههای برق استفاده میشود میتوان از زیرساختهای موجود کارخانههای تولید نیمهرسانا برای ساخت این تراشههای فوقسرد در ویفرهای ۳۰۰ میلیمتری بهره گرفت.
مسیر تازه برای توسعه رایانههای کوانتومی بزرگتر
پژوهشگران همچنین نشان دادند که این نورونهای مصنوعی میتوانند به صورت زنجیرهای به یکدیگر متصل شوند و شبکههای بزرگتری ایجاد کنند. این قابلیت میتواند به پردازش محلی دادهها در محیطهای بسیار سرد کمک کند و عملکردهایی مانند تصحیح خطای کوانتومی و کنترل لحظهای پردازندههای کوانتومی را بهبود دهد.
به گفته محققان ادغام چنین مدارهایی در کنار پردازندههای کوانتومی میتواند نیاز به سیمکشیهای پیچیده را کاهش داده و امکان ساخت سامانههای کوانتومی قدرتمندتر را فراهم کند.
کاربردهای احتمالی در فضا
کاربرد این فناوری تنها به رایانش کوانتومی محدود نمیشود. از آنجا که این مدارها میتوانند در دماهای بسیار پایین به شکل پایدار کار کنند برای تجهیزات فضایی آینده نیز گزینهای مناسب خواهند بود.
فضاپیماها و ابزارهای علمی که به مناطق دوردست منظومه شمسی یا محیطهای بسیار سرد مانند سطح ماه فرستاده میشوند به سیستمهایی نیاز دارند که بتوانند بدون وابستگی به شرایط معمول زمین فعالیت کنند. این فناوری میتواند امکان پردازش داده در همان محیط سرد را فراهم کند و نیاز به تجهیزات سنگین و پرمصرف را کاهش دهد.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است و محققان آن را گامی مهم در مسیر اتصال فناوریهای الهامگرفته از مغز، نیمهرساناهای پیشرفته و نسل آینده سامانههای کوانتومی میدانند.
انتهای پیام/
