1959, den berömda fysikern Richard Feynman, i sitt föredrag "Plenty of Space at the Bottom, " talade om en framtid där små maskiner skulle kunna utföra enorma bedrifter. Liksom många framtidsinriktade koncept, hans molekyl- och atomstora värld förblev i åratal inom science fiction.

Och då, forskare och andra kreativa tänkare började förverkliga Feynmans nanoteknologiska visioner.

I andan av Feynmans insikt, och som svar på de utmaningar han ställde som ett sätt att inspirera vetenskaplig och teknisk kreativitet, el- och dataingenjörer vid UC Santa Barbara har utvecklat en design för en funktionell datorenhet i nanoskala. Konceptet innebär en tät, tredimensionell krets som arbetar på en okonventionell typ av logik som kan, teoretiskt sett packas i ett block som inte är större än 50 nanometer på någon sida.

"Nya dataparadigm behövs för att hålla jämna steg med kravet på snabbare, mindre och mer energieffektiva enheter, sa Gina Adam, postdoktor vid UCSB:s avdelning för datavetenskap och huvudförfattare till uppsatsen "Optimerad statisk materialimplikationslogik för tredimensionell datamanipulering, "publicerad i tidningen Nanoforskning . "I en vanlig dator, databehandling och minneslagring separeras, vilket saktar ner beräkningen. Bearbetning av data direkt inuti en tredimensionell minnesstruktur skulle göra det möjligt för mer data att lagras och bearbetas mycket snabbare."

Även om ansträngningar för att krympa datorenheter har pågått i decennier – faktiskt, Feynmans utmaningar som han presenterade dem i sitt föredrag från 1959 har uppfyllts – forskare och ingenjörer fortsätter att skapa utrymme i botten för ännu mer avancerad nanoteknik. En 8-bitars adderare i nanoskala som fungerar i dimensionen 50 x 50 x 50 nanometer, som presenteras som en del av den nuvarande Feynman Grand Prize-utmaningen av Foresight Institute, har ännu inte uppnåtts. Dock, den fortsatta utvecklingen och tillverkningen av allt mindre komponenter för denna datorenhet i virusstorlek närmare verkligheten, sa Dmitri Strukov, en UCSB-professor i datavetenskap.

"Vårt bidrag är att vi förbättrade de specifika funktionerna i den logiken och designade den så att den kunde byggas i tre dimensioner, " han sa.

Nyckeln till denna utveckling är användningen av ett logiskt system som kallas materialimplikationslogik kombinerat med memristorer - kretselement vars motstånd beror på de senaste laddningarna och riktningarna för de strömmar som har flödat genom dem. Till skillnad från den konventionella datorlogik och kretsar som finns i våra nuvarande datorer och andra enheter, i denna form av datorer, logisk drift och informationslagring sker samtidigt och lokalt. Detta minskar avsevärt behovet av komponenter och utrymme som vanligtvis används för att utföra logiska operationer och för att flytta data fram och tillbaka mellan drift och minneslagring. Resultatet av beräkningen lagras omedelbart i ett minneselement, som förhindrar dataförlust i händelse av strömavbrott – en kritisk funktion i autonoma system som robotik.

Dessutom, forskarna omkonfigurerade memristorns traditionellt tvådimensionella arkitektur till ett tredimensionellt block, som sedan kan staplas och packas i det utrymme som krävs för att möta Feynman Grand Prize Challenge.

"Tidigare grupper visar att enskilda block kan skalas till mycket små dimensioner, låt oss säga 10 gånger 10 nanometer, sa Strukov, som arbetade på teknologiföretaget Hewlett-Packards labb när de satte fart på utvecklingen av memristorer och logik för materialimplikationer. Genom att tillämpa dessa resultat på sin grupps utveckling, han sa, utmaningen kunde lätt mötas.

De små memristorerna forskas kraftigt i akademin och i industrin för deras lovande användningsområden för minneslagring och neuromorf datorbearbetning. Även om implementeringar av materialimplikationslogik är ganska exotiska och ännu inte vanliga, användningsområden för det kan dyka upp när som helst, särskilt i energibristsystem som robotik och medicinska implantat.

"Eftersom denna teknik fortfarande är ny, mer forskning behövs för att öka dess tillförlitlighet och livslängd och för att visa storskaliga tredimensionella kretsar tätt packade i tiotals eller hundratals lager, " sa Adam.