Riassunto:
Un gruppo di ricerca dell'Università di Würzburg in Germania ha sviluppato un dispositivo elettronico con interfaccia a ossido in grado di commutare tra tre modalità: transistor, memristor e memcondensatore in base al metodo di connessione del circuito. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, dimostra la possibilità di integrare calcolo, memoria ed elaborazione del segnale nella stessa piattaforma materiale, fornendo nuove soluzioni sperimentali per hardware informatico ispirato al cervello.
Il dispositivo è composto da ossido di alluminio lantanio (LaAlO₃) e titanato di stronzio (SrTiO₃). Entrambi i materiali sono isolanti individualmente, ma l'interfaccia di contatto può formare uno strato estremamente sottile di gas di elettroni quasi bidimensionale, consentendo agli elettroni di muoversi lungo l'interfaccia. I ricercatori hanno controllato questo canale conduttivo attraverso porte laterali per creare una struttura di nanofili; il canale conduttivo del dispositivo sperimentale era largo circa 100 nanometri e la distanza tra il canale e il gate era di circa 400 nanometri.
In diverse condizioni di cablaggio e tensione, lo stesso dispositivo può comportarsi come un transistor, un memristor o un memcondensatore. I transistor regolano la corrente elettrica; i memristor conservano la storia del segnale elettrico attraverso i cambiamenti di resistenza; e i memcondensatori consentono agli stati di capacità di cambiare in risposta agli input precedenti. Un tale effetto di "memoria" consente al circuito di rispondere in modo diverso alla sequenza di impulsi consecutivi e il gruppo di ricerca ha costruito di conseguenza un circuito per il calcolo del pool di riserva.
I ricercatori hanno utilizzato un'immagine in bianco e nero di 5×4 pixel per dimostrare il riconoscimento dei numeri da 0 a 9, hanno convertito ciascuna riga dell'immagine in input di impulsi, quindi hanno utilizzato l'output del dispositivo per formare diverse caratteristiche di stato e il successivo livello di classificazione ha giudicato il numero. Il test ha utilizzato un pool di dispositivi di riserva e ha addestrato il livello di output; questa è una dimostrazione hardware di un compito specifico e non significa che un singolo componente abbia capacità generali di intelligenza artificiale. L'articolo illustra inoltre un circuito composto da transistor e memristor in grado di eseguire la logica AND e OR e di memorizzare i risultati dell'operazione all'interno del circuito.
In condizioni di test specifiche del circuito di riconoscimento digitale, il team di ricerca ha misurato che ciascun impulso in ingresso consuma circa 2,71 nanojoule; utilizzando un circuito di riserva di controllo composto da transistor e memristori, consuma circa 16,57 nanojoule in condizioni di lavoro simili. Questo risultato riflette la configurazione del circuito testata nel documento e non può essere direttamente equiparato al consumo energetico di un sistema AI completo o di un prodotto reale.
I ricercatori ritengono che tali dispositivi riconfigurabili potrebbero contribuire a ridurre in futuro la necessità di trasmettere dati avanti e indietro tra il processore e la memoria nell'informatica tradizionale. Possono anche essere utilizzati in dispositivi indossabili per elaborare localmente segnali fisiologici come frequenza cardiaca, pressione sanguigna, temperatura corporea o zucchero nel sangue. Tuttavia, i risultati attuali sono ancora materiali di laboratorio e prototipi di circuiti; devono ancora essere ulteriormente verificati la produzione su larga scala, la stabilità, l’integrazione con i processi dei chip esistenti, nonché il consumo energetico e le prestazioni nelle applicazioni reali.
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