Forskare från Jülich har tillsammans med kollegor från Aachen och Turin tagit fram ett memristivt element tillverkat av nanotrådar som fungerar ungefär på samma sätt som en biologisk nervcell. Komponenten kan spara och bearbeta information, samt ta emot många signaler parallellt. Den resistiva växlingscellen gjord av nanotrådar av oxidkristall är därför en idealisk kandidat för att bygga bioinspirerade "neuromorfa" processorer, kan ta över de olika funktionerna hos biologiska synapser och neuroner.

Datorer har lärt sig mycket de senaste åren. Tack vare snabba framsteg inom artificiell intelligens kan de nu köra bilar, översätta texter, besegra världsmästare i schack, och mycket mer därtill. Genom att göra så, en av de största utmaningarna ligger i försöket att artificiellt reproducera signalbehandlingen i den mänskliga hjärnan. I neurala nätverk, data lagras och bearbetas i hög grad parallellt. Traditionella datorer, å andra sidan, snabbt arbeta igenom uppgifter i följd och tydligt skilja mellan lagring och bearbetning av information. I regel, neurala nätverk kan bara simuleras på ett mycket besvärligt och ineffektivt sätt med hjälp av konventionell hårdvara.

System med neuromorfa chips som imiterar hur den mänskliga hjärnan fungerar erbjuder betydande fördelar. Dessa typer av datorer fungerar på ett decentraliserat sätt, har till sitt förfogande en mängd processorer, som, som nervceller i hjärnan, är anslutna till varandra via nätverk. Om en processor går sönder, en annan kan ta över dess funktion. Vad är mer, precis som i hjärnan, där övning leder till förbättrad signalöverföring, en bioinspirerad processor bör ha kapacitet att lära sig.

"Med dagens halvledarteknik, dessa funktioner är till viss del redan möjliga att uppnå. Dessa system är, dock, lämpar sig för speciella applikationer och kräver mycket utrymme och energi, " säger Dr. Ilia Valov från Forschungszentrum Jülich. "Våra nanotrådsenheter gjorda av zinkoxidkristaller kan bearbeta och till och med lagra information, och är extremt små och energieffektiva."

I åratal, memristiva celler har tillskrivits de bästa chanserna att ta över funktionen hos neuroner och synapser i bioinspirerade datorer. De ändrar sitt elektriska motstånd beroende på intensiteten och riktningen av den elektriska ström som flyter genom dem. I motsats till konventionella transistorer, deras sista resistansvärde förblir intakt även när den elektriska strömmen stängs av. Memristorer är alltså i grunden kapabla att lära.

För att skapa dessa egenskaper, forskare vid Forschungszentrum Jülich och RWTH Aachen University använde en enda zinkoxid nanotråd, producerade av deras kollegor från yrkeshögskolan i Turin. Mäter ungefär en 10, 000:e millimeter i storlek, denna typ av nanotråd är över 1, 000 gånger tunnare än ett människohår. Den resulterande memristiva komponenten tar inte bara upp en liten mängd utrymme, men kan också växla mycket snabbare än flashminne.

Nanotrådar erbjuder lovande nya fysikaliska egenskaper jämfört med andra fasta ämnen och används bland annat i utvecklingen av nya typer av solceller, sensorer, batterier och datorchips. Deras tillverkning är förhållandevis enkel. Nanotrådar resulterar från avdunstning av specificerade material på ett lämpligt substrat, där de praktiskt taget växer av sig själva.

För att skapa en fungerande cell, båda ändarna av nanotråden måste fästas på lämpliga metaller, i detta fall platina och silver. Metallerna fungerar som elektroder, och dessutom, frigör joner utlösta av en lämplig elektrisk ström. Metalljonerna kan spridas över trådens yta och bygga en bro för att ändra dess ledningsförmåga.

Komponenter gjorda av enstaka nanotrådar är, dock, fortfarande för isolerad för att vara praktiskt användbar i chips. Följaktligen, nästa steg som planeras av Jülich och Turin-forskarna är att producera och studera ett memristivt element, består av en större, relativt lätt att generera en grupp på flera hundra nanotrådar som erbjuder fler spännande funktioner.