Chip potenti, che consumano poco e riconfigurabili? Sì con il memristore molecolare

Un team di ricercatori della National University of Singapore (NUS), insieme a colleghi di altri atenei, ha sviluppato un nuovo "memristore molecolare" con un'eccezionale riconfigurabilità, ovvero è in grado di svolgere differenti tipi di calcolo.

A differenza di molti dispositivi elettronici attuali basati su circuiti con funzioni logiche predefinite, questo dispositivo molecolare può essere riconfigurato modificando la tensione operativa al volo per eseguire calcoli differenti. La tecnologia ha il potenziale per essere applicata in dispositivi dove l'alimentazione è limitata, ad esempio i dispositivi basati su batterie come uno smartphone.

"Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nella nostra ricerca verso un calcolo a basso consumo di energia. L'idea di usare la commutazione (switching) multipla in un singolo elemento trae ispirazione dal modo in cui funziona il cervello e ripensa alla radice la strategia di progettazione di un circuito logico", ha affermato il Professore Associato Ariando del Dipartimento di Fisica del NUS che ha guidato lo studio pubblicato su Nature.

"Questa nuova scoperta può contribuire allo sviluppo dell'edge computing come approccio sofisticato al calcolo in memoria per superare il collo di bottiglia dell'architettura di von Neumann, un ritardo nel calcolo riscontrato in molte tecnologie digitali legato alla separazione fisica della memoria dal processore di un dispositivo", ha aggiunto Ariando.

"In modo simile alla flessibilità e all'adattabilità dei collegamenti presenti nel cervello umano, il nostro dispositivo di memoria può essere riconfigurato al volo per diverse attività di calcolo semplicemente cambiando le tensioni applicate. Inoltre, come le cellule nervose possono memorizzare i ricordi, lo stesso dispositivo può conservare le informazioni per recuperarle ed elaborarle in seguito", ha aggiunto il dottor Sreetosh Goswami, ricercatore del Dipartimento di Fisica del NUS.

È stato proprio Goswami a ideare e progettare un sistema molecolare appartenente alla famiglia chimica delle fenazopiridine, contraddistinte da un atomo metallico centrale legato a molecole organiche chiamate ligandi. "Queste molecole sono come spugne elettroniche che possono offrire fino a sei trasferimenti di elettroni con conseguenti cinque stati molecolari diversi. L'interconnettività tra questi stati è la chiave della riconfigurabilità del dispositivo", ha spiegato il dott. Goswami.

Goswami ha creato un minuscolo circuito elettrico costituito da uno strato con una dimensione di 40 nanometri di pellicola molecolare posta, come in un panino, tra uno strato superiore d'oro e uno inferiore di un nanodisco infuso nell'oro e ossido di indio e stagno. Durante i test il ricercatore ha osservato un profilo corrente-tensione senza precedenti applicando una tensione negativa al dispositivo.

"A differenza dei tradizionali memristori di ossido di metallo che vengono accesi e spenti con una sola tensione fissa, questi dispositivi molecolari organici potrebbero commutare tra stati on-off a diverse tensioni sequenziali distinte", si legge sul sito della NUS.

Tramite la spettroscopia Raman è stato possibile osservare le firme spettrali nel movimento vibrazionale della molecola organica per spiegare le molteplici transizioni. "Spostando la tensione negativa i ligandi sulla molecola hanno subito una serie di riduzioni, o guadagni di elettroni, che hanno causato la transizione della molecola tra gli stati off e on".

I ricercatori hanno descritto il comportamento delle molecole tramite un algoritmo decisionale ad albero "if-then-else" usato nella codifica di diversi programmi anziché usare un approccio convenzionale basato su equazioni fisiche fondamentali.

I ricercatori hanno poi usato i dispositivi di memoria molecolare per eseguire programmi per svolgere diversi calcoli reali, dimostrando che la tecnologia può occuparsi di calcoli complessi in un unico passaggio ed essere riprogrammata per eseguire un'altra attività nell'istante successivo. "Un singolo dispositivo di memoria molecolare potrebbe svolgere le stesse funzioni di calcolo per cui oggi sono impiegati migliaia di transistor".

"La tecnologia potrebbe essere usata prima in dispositivi portatili, come telefoni cellulari e sensori, e altre applicazioni in cui l'energia è limitata", ha aggiunto il professor Ariando. La ricerca è stata svolta con la collaborazione della Indian Association for the Cultivation of Science, Hewlett Packard Enterprise (HPE), University of Limerick, University of Oklahoma e Texas A&M University.