来自脑细胞的启发：新型计算机组件

尽管技术在不断进步，但人脑在几个方面仍然优于计算机。虽然计算机可以比人类更快地进行数学计算，但人脑能够处理复杂的感官信息，并轻松地适应新的经验。这种能力仍然是计算机无法企及的，而人脑在完成这一壮举的同时，所消耗的能量仅是笔记本电脑的一小部分。

大脑的结构对其能源效率有很大贡献。与计算机不同，记忆和处理是独立的实体，信息需要在它们之间传输，而大脑中的神经元和突触能够同时存储和处理信息。这消除了数据不断传输的需要，这可能导致计算机在处理大量信息时速度减慢。

解决这一瓶颈的一个可能办法是以人脑为模型的新型计算机架构。为此，科学家们正在开发所谓的记忆体：像脑细胞一样，将数据存储和处理结合起来的组件。

来自瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）、苏黎世联邦理工学院和"米兰理工大学"的一个研究小组现在已经开发出一种记忆体，它比前辈们更强大，更容易制造。研究人员最近在《科学进展》杂志上发表了他们的成果。

通过混合离子和电子导电性能

这种新型的记忆器是基于卤化物过氧化物纳米晶体，一种从太阳能电池制造中得知的半导体材料。苏黎世联邦理工学院和Empa的前ETH研究员和博士后研究员Rohit John解释说："卤化物过氧化物既能传导离子也能传导电子。这种双重导电性使更复杂的计算成为可能，与大脑中的过程非常相似"。

研究人员完全在Empa进行了该研究的实验部分：他们在薄膜和光伏实验室制造了薄膜记忆体，并在纳米级界面的传输实验室调查了它们的物理特性。基于测量结果，他们随后模拟了一项复杂的计算任务，该任务与大脑视觉皮层的学习过程相对应。该任务涉及根据来自视网膜的信号确定光的方向。

苏黎世联邦理工学院教授、Empa功能无机材料研究组组长Maksym Kovalenko说："据我们所知，这只是第二次在忆阻器上进行这种计算。与此同时，我们的记忆体比以前更容易制造。"

这是因为，与许多其他半导体相比，过氧化物在低温下会结晶。此外，新的记忆体不需要通过应用特定的电压进行复杂的预处理，而类似的设备在执行此类计算任务时需要这种预处理。这使它们更快、更节能。

不过，这项技术还没有完全准备好用于部署。新的记忆体可以很容易地被制造出来，但它们难以与现有的计算机芯片集成，不能承受加工硅所需的400至500摄氏度的温度--至少现在还不能。但是根据米兰理工大学教授Daniele Ielmini的说法，这种整合是新的类脑计算机技术成功的关键。

"我们的目标不是要取代经典的计算机架构，"他解释说。他解释说："相反，我们希望开发替代架构，以更快的速度和更高的能源效率执行某些任务。例如，这包括对大量数据的并行处理，今天从农业到太空探索，到处都在产生这种数据。"

有望的是，还有其他具有类似特性的材料可以用来制造高性能的记忆体。"我们现在可以用不同的材料来测试我们的记忆体设计，"米兰理工大学"的博士生Alessandro Milozzi说。"很有可能其中一些更适合与硅集成。"