Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ (HKU) δημιούργησαν έναν εξαιρετικό νέο τύπο τσιπ, εμπνευσμένο από τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει ακριβώς πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Χρησιμοποιώντας ένα τυπικό τρανζίστορ καρβιδίου του πυριτίου με έναν εντελώς νέο τρόπο, η ομάδα κατάφερε να κάνει μια απλή συσκευή να συμπεριφέρεται σαν ένας ενεργειακά αποδοτικός νευρώνας, εκπέμποντας ηλεκτρικές «αιχμές» (spikes) παρόμοιες με αυτές του εγκεφάλου.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε από το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του HKU και το Κέντρο Προηγμένων Ημιαγωγών και Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (CASIC), υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Yuhao Zhang και του υποψήφιου διδάκτορα Xin Yang.
Η εργασία τους παρουσιάζει μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία και τον έλεγχο της αρνητικής διαφορικής αντίστασης (NDR) σε βιομηχανικά τρανζίστορ SiC MOSFETs, αποδεικνύοντας για πρώτη φορά ότι ένα μόνο τρανζίστορ μπορεί να αναπαράγει τη δραστηριότητα των βιολογικών νευρώνων σε θερμοκρασίες έως και 10mK.
Γέφυρα μεταξύ νευρομορφικού υλικού και κβαντικής υπολογιστικής
Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε πολύπλοκα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου για τη διαχείριση των qubits, τα οποία είναι εξαιρετικά ευαίσθητα και πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασίες millikelvin.
Τα υπάρχοντα συστήματα ελέγχου που βασίζονται στο πυρίτιο καταναλώνουν σημαντική ενέργεια και παράγουν ανεπιθύμητη θερμότητα, με αποτέλεσμα να πρέπει να τοποθετούνται μακριά από τα ίδια τα qubits. Αυτή η απόσταση δημιουργεί την ανάγκη για εκτεταμένη καλωδίωση, γεγονός που εμποδίζει την απόδοση και δυσχεραίνει την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας.
Το νέο υλικό μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας δίπλα στους κβαντικούς επεξεργαστές. Αξιοποιώντας τη μοναδική δυναμική των φορέων στο καρβίδιο του πυριτίου, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν κυκλώματα που είναι χιλιάδες φορές πιο ενεργειακά αποδοτικά από τα συμβατικά ηλεκτρονικά, μειώνοντας σημαντικά το θερμικό φορτίο στα κρυογονικά συστήματα.
Η μοναδική κρυογονική συμπεριφορά του καρβιδίου του πυριτίου
Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι τα SiC MOSFETs εμφανίζουν ένα ισχυρό φαινόμενο NDR σχήματος «S» όταν ψύχονται κάτω από τους 2K. Η συμπεριφορά αυτή καθοδηγείται από τον ιονισμό κρούσης ηλεκτρονίων-δοτών (EDII). Αντίθετα με άλλες τεχνολογίες που εξαρτώνται από τη θερμότητα που παράγεται στο εσωτερικό μιας συσκευής, ο μηχανισμός αυτός προκύπτει απευθείας από τις ατομικές ιδιότητες του υλικού. Ως αποτέλεσμα, παραμένει εξαιρετικά σταθερός και μπορεί να αναπαραχθεί με συνέπεια σε διαφορετικές παρτίδες παραγωγής.
Πρόκειται για μια ισχυρή και κλιμακώσιμη προσέγγιση. Επειδή το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ήδη παγκοσμίως σε ηλεκτρικά οχήματα και δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, η κατασκευή αυτών των κρυογονικών τσιπ μπορεί να βασιστεί σε υπάρχουσες βιομηχανικές υποδομές και σε wafer των 300 χιλιοστών.
Από τους τεχνητούς νευρώνες στις αποστολές στο βαθύ διάστημα
Η μελέτη έδειξε επίσης ότι αυτοί οι τεχνητοί νευρώνες μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους σε μεγαλύτερα δίκτυα (cascaded). Η δυνατότητα αυτή θα μπορούσε να επιτρέψει την προηγμένη τοπική επεξεργασία δεδομένων σε κρυογονικές θερμοκρασίες και να βελτιώσει σημαντικά κρίσιμες λειτουργίες της κβαντικής υπολογιστικής, όπως η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων και ο κβαντικός έλεγχος σε πραγματικό χρόνο.
Οι πιθανές εφαρμογές της ανακάλυψης εκτείνονται πέρα από την κβαντική πληροφορική. Επειδή τα κυκλώματα είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν αξιόπιστα σε εξαιρετικά ψυχρά περιβάλλοντα, είναι πολύτιμα για την εξερεύνηση του βαθέος διαστήματος. Τα μελλοντικά συστήματα θα μπορούν να λειτουργούν απρόσκοπτα στις σκληρές συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια της Σελήνης ή στις απομακρυσμένες περιοχές του ηλιακού μας συστήματος.
Η επιστημονική εργασία δημοσιεύθηκε στο Nature Communications με τίτλο «Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide».
