半導体設計に革新をもたらす人間の脳の働きに着想したメモリデバイス

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(NUS researchers develop brain-inspired memory device that can revolutionise semiconductor design)

2021-09-02 シンガポール国立大学(NUS)

2021 0902 Memory device

・ NUS、Indian Association for the Cultivation of Science (IACS)、Hewlett Packard Enterprise、アイルランド・リムリック大学、米国・オクラホマ大学およびテキサス A&M 大学が、卓越したメモリ再構成可能度を持つ分子メムリスタ(電子メモリデバイス)を開発。
・ 結線で接続された標準的な論理回路とは異なり、同分子デバイスは人間の脳のネットワークの柔軟性や適応性を模倣し、電圧を変えるだけで様々な演算タスクに向けて臨機応変に再構築する。さらに、脳の神経細胞が記憶を蓄積するように、将来的なデータ取り出しや処理に備え情報を保持する。
・ 優れたエネルギー効率で演算能力と速度を向上させるため、エッジコンピューティングや電源が制限されるポータブルデバイスやアプリケーションでの利用が期待できる。
・ 本研究成果は、フォン・ノイマン・ボトルネック(CPU とメモリ間の物理的な距離によるデータ転送の遅れ)を克服するインメモリーコンピューティングのアプローチとして、エッジコンピューティングにおける技術開発に貢献し、より優れた演算能力と速度の次世代プロセッサチップの設計にも役立つもの。
・ リガンドと呼ばれる有機分子と結合した中心的な金属原子を持つ、フェニルアゾピリジンの化学族に属する分子システムを設計。これらの分子は電子のスポンジのように作用し、最大 6 回の電子移動で 5 種類の分子状態を創出。これらの状態間の相互接続性が、同分子デバイスの再構築可能度を可能にしている。
・ 上部の金の層、下部の金を封入したナノディスクと酸化インジウムスズの層で挟んだ 40nm の分子膜層より構成される微細な電子回路にて、負電圧をかけた際に前例のない電流-電圧特性を確認。一定の電圧で切り替わる従来の金属酸化物メムリスタとは異なり、新分子デバイスでは数種類の電圧でオンオフ状態を切り替えた。
・ ラーマン分光法による有機分子の振動運動の分光的特徴の観察の結果、負電圧が分子のリガンドによる一連の酸化(電子の獲得)を引き起こし、オンオフ状態が切り替わることがわかった。
・ 同分子デバイスの概念実証として、シングルステップでの複雑な演算と別のタスク実行への即時的な再プログラムを実施。個別の分子メモリデバイスでは、トランジスタ数千個と同等の演算能力を提供し、より優れた低エネルギーメモリの選択肢となる。
・ 現在、同分子デバイスを統合した新電子デバイスの開発、シミュレーションおよび既存技術とのベンチマーキングを実施している。
URL: https://news.nus.edu.sg/nus-researchers-develop-brain-inspired-memory-device-that-can-revolutionise-semiconductor-design/

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Decision trees within a molecular memristor
URL: https://www.nature.com/articles/s41586-021-03748-0

Abstract

Profuse dendritic-synaptic interconnections among neurons in the neocortex embed intricate logic structures enabling sophisticated decision-making that vastly outperforms any artificial electronic analogues1,2,3. The physical complexity is far beyond existing circuit fabrication technologies: moreover, the network in a brain is dynamically reconfigurable, which provides flexibility and adaptability to changing environments4,5,6. In contrast, state-of-the-art semiconductor logic circuits are based on threshold switches that are hard-wired to perform predefined logic functions. To advance the performance of logic circuits, we are re-imagining fundamental electronic circuit elements by expressing complex logic in nanometre-scale material properties. Here we use voltage-driven conditional logic interconnectivity among five distinct molecular redox states of a metal–organic complex to embed a ‘thicket’ of decision trees (composed of multiple if-then-else conditional statements) having 71 nodes within a single memristor. The resultant current–voltage characteristic of this molecular memristor (a ‘memory resistor’, a globally passive resistive-switch circuit element that axiomatically complements the set of capacitor, inductor and resistor) exhibits eight recurrent and history-dependent non-volatile switching transitions between two conductance levels in a single sweep cycle. The identity of each molecular redox state was determined with in situ Raman spectroscopy and confirmed by quantum chemical calculations, revealing the electron transport mechanism. Using simple circuits of only these elements, we experimentally demonstrate dynamically reconfigurable, commutative and non-commutative stateful logic in multivariable decision trees that execute in a single time step and can, for example, be applied as local intelligence in edge computing7,8,9.

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