Perangkat Memristor Baru Menantang Hambatan Von Neumann dengan Inovasi Ionik

Memristor nanofluidik baru meniru pemrosesan otak dengan menggunakan ion, meningkatkan efisiensi dan skalabilitas dalam komputasi.

Memori, atau kemampuan untuk menyimpan informasi dengan cara yang mudah diakses, merupakan operasi penting baik di komputer maupun otak manusia. Akan tetapi, ada perbedaan utama dalam cara keduanya memproses informasi. Sementara otak manusia melakukan perhitungan langsung pada knowledge yang tersimpan, komputer harus mentransfer knowledge antara unit memori dan unit pemrosesan pusat (CPU). Pemisahan yang tidak efisien ini, yang dikenal sebagai hambatan von Neumann, berkontribusi pada meningkatnya biaya energi komputer.

Itu hambatan von Neumann adalah keterbatasan mendasar dalam arsitektur komputer, yang dinamai menurut matematikawan dan fisikawan John von Neumann. Keterbatasan ini muncul dari desain arsitektur von Neumann, yang menggunakan satu bus untuk knowledge dan instruksi yang akan diambil dari memori. Hal ini menciptakan kemacetan komunikasi karena CPU dapat mengambil knowledge atau instruksi pada waktu tertentu, tetapi tidak keduanya secara bersamaan. Akibatnya, kecepatan pemrosesan knowledge dibatasi oleh lebar pita memori, yang menyebabkan inefisiensi dan kinerja sistem keseluruhan yang lebih lambat. Kemacetan ini telah mendorong pengembangan arsitektur alternatif dan teknik pengoptimalan untuk meningkatkan throughput knowledge dan kecepatan komputasi.

Mengembangkan Perangkat Memristif Nanofluidik

Selama lebih dari 50 tahun, para peneliti telah bekerja pada konsep memristor (resistor memori), komponen elektronik yang dapat menghitung dan menyimpan knowledge, seperti halnya sinapsAleksandra Radenovic dari Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN) di Faculty of Engineering EPFL mengarahkan pandangannya pada sesuatu yang bahkan lebih ambisius: perangkat memristif nanofluida fungsional yang mengandalkan ion, bukan elektron dan pasangannya yang bermuatan berlawanan (lubang). Pendekatan ini akan meniru cara otak manusia memproses informasi dengan lebih cermat dan karenanya lebih hemat energi.

Radenovic berkata, “Memristor telah digunakan untuk membangun jaringan saraf elektronik, tetapi tujuan kami adalah membangun jaringan saraf nanofluida yang memanfaatkan perubahan konsentrasi ion, mirip dengan organisme hidup.”

Sinaps nanofluida buatan dapat menyimpan memori komputasional. Kredit: ©EPFL 2024 / Andras Kis

“Kami telah membuat perangkat nanofluida baru untuk aplikasi memori yang secara signifikan lebih terukur dan jauh lebih berkinerja daripada upaya sebelumnya,” kata peneliti pascadoktoral LBEN Théo Emmerich. “Hal ini memungkinkan kami, untuk pertama kalinya, untuk menghubungkan dua 'sinapsis buatan' tersebut, yang membuka jalan bagi desain perangkat keras cair yang terinspirasi dari otak.” Penelitian ini baru-baru ini dipublikasikan di Elektronik Alam.

Memristor dalam Praktik: Peralihan ke Ion

Memristor dapat beralih antara dua kondisi konduktansi – aktif dan nonaktif – melalui manipulasi tegangan yang diberikan. Sementara memristor elektronik mengandalkan elektron dan lubang untuk memproses informasi digital, memristor LBEN dapat memanfaatkan berbagai ion yang berbeda. Untuk penelitian mereka, para peneliti merendam perangkat mereka dalam larutan air elektrolit yang mengandung ion kalium, tetapi yang lain dapat digunakan, termasuk natrium dan kalsium.

“Kita dapat menyetel memori perangkat kita dengan mengubah ion yang kita gunakan, yang memengaruhi cara perangkat tersebut menyala dan mati, atau seberapa banyak memori yang disimpannya,” jelas Emmerich.

Inovasi dalam Teknologi Memori

Perangkat ini dibuat pada sebuah chip di Pusat MikroNanoTeknologi EPFL dengan membuat nanopori di bagian tengah membran silikon nitrida. Para peneliti menambahkan lapisan paladium dan grafit untuk membuat saluran nano bagi ion. Saat arus mengalir melalui chip, ion-ion meresap melalui saluran dan bertemu di pori, di mana tekanannya menciptakan gelembung antara permukaan chip dan grafit. Saat lapisan grafit dipaksa naik oleh gelembung, perangkat menjadi lebih konduktif, mengubah standing memorinya menjadi 'aktif'. Karena lapisan grafit tetap terangkat, bahkan tanpa arus, perangkat 'mengingat' standing sebelumnya. Tegangan negatif membuat lapisan-lapisan itu kembali bersentuhan, mengatur ulang memori ke standing 'nonaktif'.

“Saluran ion di otak mengalami perubahan struktural di dalam sinaps, sehingga hal ini juga meniru biologi,” kata mahasiswa PhD LBEN Yunfei Teng, yang bekerja untuk membuat perangkat tersebut – dijuluki saluran sangat asimetris (HAC) yang mengacu pada bentuk aliran ion menuju pori-pori pusat.

Mahasiswa PhD LBEN Nathan Ronceray menambahkan bahwa pengamatan tim terhadap aksi memori HAC secara langsung juga merupakan pencapaian baru di bidang ini. “Karena kami berhadapan dengan fenomena memori yang sama sekali baru, kami membuat mikroskop untuk mengamatinya secara langsung.”

Arah dan Aplikasi Masa Depan

Dengan berkolaborasi dengan Riccardo Chiesa dan Edoardo Lopriore dari Laboratory of Nanoscale Electronics and Buildings, yang dipimpin oleh Andras Kis, para peneliti berhasil menghubungkan dua HAC dengan elektroda untuk membentuk sirkuit logika berdasarkan aliran ion. Pencapaian ini merupakan demonstrasi pertama operasi logika digital berdasarkan perangkat ionik seperti sinaps. Namun, para peneliti tidak berhenti di situ: tujuan mereka berikutnya adalah menghubungkan jaringan HAC dengan saluran air untuk menciptakan sirkuit yang sepenuhnya cair. Selain menyediakan mekanisme pendinginan inner, penggunaan air akan memfasilitasi pengembangan perangkat yang kompatibel secara biologis dengan aplikasi potensial dalam antarmuka komputer-otak atau neuromedicine.

Referensi: “Logika nanofluida dengan sakelar memristif mekano-ionik” oleh Theo Emmerich, Yunfei Teng, Nathan Ronceray, Edoardo Lopriore, Riccardo Chiesa, Andrey Chernev, Vasily Artemov, Massimiliano Di Ventra, Andras Kis dan Aleksandra Radenovic, 19 Maret 2024, Elektronik Alam.
DOI: 10.1038/s41928-024-01137-9