EPFL的研究人员开发了一种新型的纳米流体忆阻器，这种装置模仿了大脑高效的离子信息处理。与使用电子的传统忆阻器不同，该装置使用一系列离子，如钾、钠和钙，来切换记忆状态并存储数据。这种创新的方法可能会带来更可扩展、更高性能的存储解决方案，甚至是脑机接口等应用的全液体电路。信贷:SciTechDaily

一种新的纳米流体忆阻器通过使用离子来模拟大脑的处理，提高了计算的效率和可扩展性。

记忆，或以易于获取的方式存储信息的能力，是计算机和人脑的基本操作。然而，它们在处理信息的方式上有关键的区别。人脑直接对存储的数据进行计算，而计算机必须在存储单元和中央处理器(CPU)之间传输数据。这种低效的分离，被称为冯·诺伊曼瓶颈，导致了计算机能源成本的上升。

纳米流体忆阻器件的发展

50多年来，研究人员一直致力于记忆电阻器的概念，这是一种既能计算又能存储数据的电子元件，就像突触一样。EPFL工程学院纳米生物学实验室(LBEN)的亚历山德拉·拉德诺维奇(Aleksandra Radenovic)将目光投向了更雄心勃勃的目标:一种功能性纳米流体记忆装置，它依赖于离子，而不是电子及其相反的带电对应物(空穴)。这种方法将更接近地模仿人类大脑处理信息的方式，因此更节能。

Radenovic说:“记忆电阻器已经被用于构建电子神经网络，但我们的目标是建立一个纳米流体神经网络，利用离子浓度的变化，类似于生物体。”

人工纳米流体突触可以存储计算记忆。图片来源:©EPFL 2024 / Andras Kis

LBEN博士后研究员themmerich说:“我们已经制造了一种新的纳米流体存储设备，它比以前的尝试更具有可扩展性和更高的性能。”“这使我们第一次能够连接两个这样的‘人工突触’，为设计受大脑启发的液体硬件铺平了道路。”这项研究最近发表在《自然电子》杂志上。

忆阻器的应用:向离子的转变

忆阻器可以通过操纵施加的电压在两种电导状态——导通和关断之间切换。电子忆阻器依靠电子和空穴来处理数字信息，而LBEN的忆阻器可以利用一系列不同的离子。在他们的研究中，研究人员将他们的设备浸入含有钾离子的电解质水溶液中，但也可以使用其他离子，包括钠和钙。

艾默里奇解释说:“我们可以通过改变我们使用的离子来调整我们设备的内存，这影响了它的开关方式，或者它存储了多少内存。”

存储技术创新

该装置是在EPFL的微纳米技术中心的芯片上制造的，通过在氮化硅膜的中心制造一个纳米孔。研究人员添加了钯和石墨层来创建离子的纳米通道。当电流流过芯片时，离子通过通道渗透并在孔处聚集，在那里它们的压力在芯片表面和石墨之间形成了一个水泡。当石墨层被水泡压上时，器件的导电性就会增强，从而将其记忆状态切换为“开”状态。因为即使没有电流，石墨层也会保持抬起的状态，所以设备会“记住”它之前的状态。负电压使各层重新接触，将存储器重置为“关闭”状态。

“大脑中的离子通道在突触内经历结构变化，所以这也模仿了生物学，”LBEN博士研究生滕云飞说，他致力于制造这种设备——根据流向中心孔的离子的形状，被称为高度不对称通道(HACs)。

LBEN的博士生Nathan Ronceray补充说，研究小组对HAC记忆活动的实时观察也是该领域的一项新成就。“因为我们正在研究一种全新的记忆现象，所以我们建造了一台显微镜来观察它的运作。”

未来发展方向及应用

通过与Andras Kis领导的纳米级电子与结构实验室的Riccardo Chiesa和Edoardo Lopriore合作，研究人员成功地将两个HACs与电极连接起来，形成基于离子流的逻辑电路。这一成就代表了基于类突触离子器件的数字逻辑运算的首次演示。但研究人员并没有止步于此:他们的下一个目标是将HACs网络与水渠连接起来，以创建全液体电路。除了提供一个内置的冷却机制外，水的使用将促进生物兼容设备的发展，在脑机接口或神经医学方面有潜在的应用。

参考文献:“纳米流体逻辑与机械离子记忆开关”，作者:Theo Emmerich, Yunfei Teng, Nathan Ronceray, Edoardo Lopriore, Riccardo Chiesa, Andrey Chernev, Vasily Artemov, Massimiliano Di Ventra, Andras Kis和Aleksandra Radenovic, 2024年3月19日，《自然电子》。DOI: 10.1038 / s41928 - 024 - 01137 - 9