Elektrik darbeleri belleği yeniden şekillendirir.

University of California San Diego araştırmacıları, vanadium dioksit adı verilen bir malzemenin davranışını değiştirmek için elektrik akımlarını kullanarak deneysel bir elektronik cihazın nasıl bellek oluşturup sildiğini kontrol etme yöntemi geliştirdi. MEDIA1: Vanadium dioksit malzemeli neuristor cihazı

Neuristor olarak adlandırılan ve biyolojik nöronların belirli anahtarlama davranışlarını taklit eden bu cihaz, araştırmacıların anahtarlamanın daha öngörülebilir hale gelmesi ya da daha az öngörülebilir duruma geri dönmesi arasında seçim yapabildiklerini ortaya koydu. LINK1: Nature Communications’da yayımlanan araştırma

Bu keşif, bilgiyi fiziksel yapısındaki değişimler yoluyla saklayan beyin ilhamlı hesaplama donanımı tasarlamaya yardımcı olabilir. Böyle sistemler, verileri ayrı işlemciler ve bellek birimleri arasında aktaran geleneksel yaklaşımlardan daha verimli biçimde bazı hesaplama ve bellek işlevlerini gerçekleştirmeyi hedefliyor.

Fizik profesörü Oleg Shpyrko’nun liderliğindeki UC San Diego ekibi, cihazın içinden elektrik akımı geçerken malzemenin nanölçekli değişimlerini gözlemlemek için koherent ışın kırılması (coherent X-ray diffraction) yöntemini kullandı. Bu sayede içerideki yapının anahtarlama davranışını nasıl etkilediğini inceleyebildiler.

Elektrik darbeleri belleği yeniden şekillendirir

Vanadium dioksit, elektriksel açıdan yalıtkan iletim durumları arasında geçiş yapabilir. Bu değişim malzemenin içindeki yapısal değişimler eşlik eder ve nöronların bazı özelliklerini taklit eden elektronik cihazların çalıştırılması için değerli hale getirir.

Araştırmacılar, tekrarlayan elektriksel uyarının malzemenin içindeki küçük bölgelerin dizilimi ve hareketi üzerindeki etkisini inceledi. Bu bölgeler alanlar (domains) olarak adlandırılır ve cihaz durumlar arasında geçiş yaparken birbirleriyle etkileşebilir.

Ekip, bu bölgelerin giderek daha kısıtlanmış biçimde hareket ettiği sıkışma (jamming) adı verilen bir süreci belirledi. Bağımsız davranmak yerine etkileşimleri malzemenin değişimini sınırlamaya başlıyor.

Eşik değerinin üzerindeki tekrarlayan elektriksel uyarı, malzemeyi bu sıkışmış duruma doğru yönlendirdi. Sonuç olarak cihazın sonr anahtarlama daha öngörülebilir hale geldi ve önceki elektriksel etkinin gelecekteki davranışını etkilediğini gösterdi.

Araştırmacılar aynı zamanda daha düşük akımlı uyarının bu etkiyi geri döndürebileceklerini, daha az öngörülebilir bir anahtarlama durumu geri getirebileceklerini de buldu. Bu da cihazın bellek benzeri davranışını elektriksel girdilerle kontrol etme imkanı sağladı.

Araştırmacılar, yapısal değişimleri binlerce saniyeli periyotlarda izleyerek cihazın elektriksel geçmişini malzemenin içindeki değişimlerle ilişkilendirebildi.

Belleğin sildiği anları kontrol etme

Bulular, bir neuristor’un ayrılan geleneksel bellek bileşeni gerektirmeden önceki elektriksel etkin hakkında bilgiyi nasıl koruyabildiğine dair fiziksel bir açıklama sunuyor.

Bu durumda öğrenme, cihazın bilgiyi anladığı veya bağımsız olarak problemleri çözdüğü anlamına gelmiyor. Önceki uyarıdan kaynaklanan ölçülebilir bir anahtarlama değişimine işaret ediyor. Unutma ise bu değişimin geri döndürülmesi olarak tanımlanıyor.

Bu ayrım, nöron ve sinirlerin bilgiyi işleme ve koruma biçiminden ilham alan elektronik sistemler kurmayı hedefleyen nöromorfik hesaplama için önem taşıyor. Cihazın önceki elektriksel sinyallere göre tepkisini ayarlayabilme yeteneği, sonunda bellekle hesaplamayı birleştiren devrelere katkıda bulunabilir.

Araştırmacılar bu mekanizmayı tamamlanmış bir beyin ilhamlı işlemcide değil, deneysel bir malzeme sisteminde kanıtladı. Davranışın birden fazla cihazda ne kadar güvenilir biçimde kontrol edileceği, bellek durumlarının ne kadar hızlı değiştirilebileceği ve yaklaşım pratik devrelerde ölçülebilir enerji tasarrufu sağlayıp sağlamadığı gibi konuları belirlemek için daha fazla çalışma gerekiyor.

Araştırma aynı zamanda yapısal ve elektriksel geçişlerin birbirine bağlı olduğu malzemelerde nanölçekli yapısal değişimlerin elektronik anahtarlama üzerindeki etkisini çalıştırmak için bir yöntem de sunuyor. Bulgular Nature Communications’da yayımlandı.