Perangkat yang terinspirasi otak dengan graphene oxide

Perangkat ultra-kecil menunjukkan respons nano-sinaptik dengan konsumsi daya yang rendah.

Sebuah tim peneliti internasional, termasuk para peneliti di Graphene Flagship Partners CNRS (Prancis), The University of Cambridge (UK) dan Technion (Israel), bekerja sama dengan kelompok Prof. Mario Lanza di King Abdullah University of Science and Technology (KAUST, Arab Saudi), membuat perangkat ultra-kecil yang dibuat dengan graphene oxide (GO), yang meniru koneksi antara dua neuron. Perangkat ini dikenal sebagai memristor, portmanteau resistor memori.

Potensi komputasi neuromorfik

Selama bertahun-tahun, transistor menjadi semakin kecil, tetapi sirkuit komputer tidak banyak berubah. Komputasi neuromorfik secara mendasar dapat mengubah arsitektur komputer kita, dan memungkinkan kita untuk melakukan operasi komputasi yang lebih cepat. Misalnya, dapat mempercepat rendering video, pemrosesan langsung informasi, analisis data besar, dan sistem enkripsi untuk keamanan digital.

Masalah lain dengan komputer tradisional kami adalah konsumsi daya. Komputer mengalami hambatan Von-Neumann: proses transfer data antara memori dan unit logika sangat membutuhkan daya. Sebagai perbandingan, sistem komputasi neuromorfik menghitung dan menyimpan informasi di tempat yang sama, sehingga kebutuhan akan transfer data dihilangkan. Jenis komputasi ini mencoba meniru apa yang terjadi di otak, dan didasarkan pada sinapsis elektronik. Di otak, sinapsis biologis mengirimkan sinyal elektrokimia, yang dihasilkan oleh satu atau lebih neuron. Dalam jaringan saraf tiruan, sinapsis elektronik adalah elemen yang menghitung sinyal listrik dan juga dapat menyimpan memori setelah daya dimatikan (memori non-volatil).

Kami berada pada tahap awal fabrikasi chip neuromorfik. Chip neuromorfik canggih menggunakan enam transistor untuk mengimplementasikan sinapsis elektronik tunggal. Namun, memristor jauh lebih efisien dalam hal daya dan ruang: satu memristor dapat mengimplementasikan satu sinapsis elektronik.

Memristor industri saat ini memiliki dua keadaan resistansi, meniru kode biner 1s dan 0s, tetapi tidak menunjukkan plastisitas elektro-sinaptik – modulasi konduktansi tergantung pada frekuensi impuls listrik yang diterapkan. Itulah sebabnya para peneliti berlomba-lomba mencoba bahan-bahan inovatif.

Perangkat baru diaktifkan oleh graphene oxide

Dalam studi ini, para peneliti mendemonstrasikan respons nano-sinaptik dalam memristor yang terbuat dari GO yang diapit di antara dua logam. Salah satu logam adalah ujung platina dari mikroskop gaya atom konduktif (CAFM), yang mengukur aliran arus listrik antara ujung dan lapisan GO.

“GO tampak seperti pilihan yang jelas untuk aplikasi ini; sifat insulasi intrinsiknya, ukuran lateral yang besar, dan fleksibilitas adalah keunggulan utama dibandingkan material berlapis yang diproses dengan solusi lainnya. Studi ini mewakili aplikasi material berbasis graphene yang memiliki potensi besar untuk memungkinkan teknologi masa depan. ,” kata Stephen Hodge, yang melakukan pekerjaan ini saat berada di mitra Graphene Flagship University of Cambridge dan saat ini CTO mitra Graphene Flagship Versarien plc.

Ukuran kecil, konsumsi daya rendah dan konduktansi non-volatil

Sebagian besar studi menggunakan memristor yang lebih besar dari 100 m 2 , yang tidak memenuhi kepadatan integrasi yang dibutuhkan oleh industri TI. Dalam penelitian ini sebaliknya, area kontak antara GO dan dua elektroda adalah ~50 nm 2 , lebih dari tiga kali lipat lebih kecil dari percobaan sebelumnya.

Karena para peneliti ingin mereplikasi pulsa elektrokimia neuron dengan peralatan teknis mereka, mereka memodifikasi CAFM untuk menerapkan pulsa tegangan pendek dan mengukur arus yang mengalir ke logam lain melalui lapisan GO. Perangkat yang dibuat dengan platinum, GO, dan emas dapat mengirimkan lonjakan dari ujung platinum ke lapisan emas, melintasi sinaps GO.

Arus meningkat dengan amplitudo dan jumlah pulsa: respons yang serupa dengan yang diamati pada sinapsis rangsang biologis antara dua neuron. Perangkat mengkonsumsi ~3 W, di antara konsumsi daya terendah hingga saat ini. Tim juga menunjukkan konduktansi non-volatil: langkah menuju plastisitas jangka panjang, di mana perubahan resistensi tetap stabil selama beberapa menit atau hari.

“Pekerjaan ini merupakan langkah maju yang besar menuju realisasi sinapsis berskala ultra untuk aplikasi jaringan saraf tiruan. Penulis juga berhasil meningkatkan kinerja komputasi dan fungsionalitas nanosinapsis dengan pengurangan konsumsi daya – aspek mendasar, terutama penting untuk aplikasi portabel,” kata Gianluca Fiori, Wakil Pemimpin Paket Kerja Perangkat Elektronik Graphene Flagship.

Andrea Ferrari, Science and Technology Officer of the Graphene Flagship, menambahkan: “Graphene dan materi terkait memiliki potensi besar untuk komputasi neuromorfik. Karya ini merupakan langkah penting untuk menunjukkan kinerja mereka. Ini juga membuktikan bagaimana Graphene Flagship mampu mendorong kolaborasi baik di dalam maupun di luar Eropa, yang mengarah pada kemajuan signifikan di bidang sains dan teknologi yang terus meningkat ini”. 

Referensi

Hui, Fei, dkk. ” Pengamatan In Situ Respons Nano-Sinaptik Daya Rendah pada Grafena Oksida Menggunakan Mikroskop Gaya Atom Konduktif .” Kecil (2021): 2101100.

Sumber : GRAPHENE Flagship