在《自然》杂志上发表的一项发现中，一个国际皇冠体育研究小组描述了一种具有非凡计算能力的新型分子装置。
联想到人类大脑连接的可塑性，该设备可以通过改变施加的电压来重新配置不同的计算任务。此外，就像神经细胞可以储存记忆一样，同样的设备也可以保留信息以供将来检索和处理。
“大脑有一种非凡的能力，可以通过建立和断开神经细胞之间的连接来改变周围的线路；德克萨斯农工大学电子与计算机工程系教授R. Stanley Williams说：“在物理系统中实现类似的目标非常具有挑战性。”“我们现在创造了一种具有戏剧性可重构性的分子装置，它不是通过改变大脑中的物理连接来实现的，而是通过重新编程其逻辑来实现的。”
T. Venkatesan是皇冠体育大学量子皇冠体育研究与技术中心的主任，也是NIST Gaithersburg的一个科学分支机构，也是新加坡国立大学电子与计算机工程的兼职教授，他补充说，他们的分子装置可能在未来帮助设计具有更高计算能力和速度，但能耗显著降低的下一代处理芯片。
“无论是熟悉的笔记本电脑还是复杂的超级计算机，数字技术都面临着一个共同的克星——冯·诺伊曼瓶颈，”Venkatesan说。这种计算处理的延迟是当前计算机体系结构的结果，其中包含数据和程序的存储器在物理上与处理器分离。因此，计算机花费大量时间在两个系统之间传递信息，从而造成瓶颈。”
“此外，尽管处理器速度极快，但这些单元在信息交换期间可能会闲置很长时间，”他补充说。
作为用于设计存储单元和处理器的传统电子部件的替代方案，忆阻器提供了一种绕过冯·诺伊曼瓶颈的方法。忆阻器，如由二氧化铌和二氧化钒制成的忆阻器，在一定温度下从绝缘体转变为导体。这一特性赋予这些类型的忆阻器执行计算和存储数据的能力。
然而，尽管它们有许多优点，这些金属氧化物忆阻器是由稀土元素制成的，只能在有限的温度范围内工作。因此，Williams说，人们一直在寻找具有类似记忆功能的有机分子。
印度科学培养协会的教授Sreebrata Goswami设计了这项工作中使用的材料。该化合物的中心金属原子（铁）与有机分子苯基偶氮吡啶结合，称为配体。
他说：“这就像一个电子海绵，可以经历多达6个电子的可逆转移，从而产生7种不同的氧化还原状态。”“这些状态之间的互联性是这项工作中显示的可重构性背后的关键。”
新加坡国立大学的皇冠体育研究员斯瑞托什·戈斯瓦米设计了这个项目，他创建了一个微型电路，这个电路由一层40纳米的分子膜组成，中间夹着一层金，下面是注入金的纳米片和氧化铟锡。
在设备上施加负电压时，戈斯瓦米看到了他们以前从未见过的电流-电压曲线。金属氧化物忆阻器只能在一个固定电压下从金属切换到绝缘体，而有机分子器件可以在几个离散的顺序电压下从绝缘体切换到导体。
“所以，如果你把这个设备想象成一个开关，当我们把电压扫得更负时，设备首先从开到关，然后从关到开，然后从开到关，然后再回到开。我只能说，我们都被炸飞了。”“我们必须说服皇冠体育app，我们所看到的是真实的。”
Sreetosh Goswami和Sreebrata Goswami使用一种称为拉曼光谱的成像技术皇冠体育研究了奇怪开关行为背后的分子机制。他们在有机分子的振动运动中寻找光谱特征，以解释多重跃迁。他们的皇冠体育研究表明，将电压扫至负值会触发分子上的配体经历一系列还原或电子获得事件，从而导致分子在关闭状态和打开状态之间转换。
接下来，为了用数学方法描述分子器件极其复杂的电流-电压分布，Williams偏离了基于基本物理方程的传统方法。相反，他使用带有“if-then-else”语句的决策树算法来描述分子的行为，这是一些计算机程序（尤其是数字游戏）中常见的一行代码。
Williams说道：“电子游戏具有这样一种结构，即你拥有一个角色去做某事，然后某事便会随之发生。所以，如果你把它写在计算机算法中，它们就是if-then-else语句。在这里，由于施加的电压，分子会从开到关，这时我灵机一现，用决策树来描述这些设备，效果非常好。”
皇冠体育研究人员进一步利用这些分子设备来运行不同现实世界计算任务的程序。斯里托什·戈斯瓦米通过实验证明，他们的设备可以在一个时间步内完成相当复杂的计算，然后可以在下一个瞬间重新编程来执行另一个任务。
“这太不寻常了；我们的设备正在做一些类似大脑的事情，但以一种非常不同的方式。”“当你学习新东西或做决定时，大脑实际上可以重新配置和改变周围的物理线路。同样，我们可以通过给设备提供不同的电压脉冲，从逻辑上重新编程或重新配置我们的设备。”
Venkatesan指出，他们的分子设备可以用不同的决策树来执行相同的计算功能，这需要数千个晶体管。因此，他说，他们的技术可能首先用于手持设备，如手机和传感器，以及其他功率有限的应用。
该皇冠体育研究的其他贡献者包括新加坡国立大学的Abhijeet Patra和Ariando；印度科学培养协会的Rajib Pramanick和Santi Prasad Rath；科罗拉多州惠普企业公司的马丁·福尔廷；以及爱尔兰利默里克大学的达米安·汤普森。
Venkatesan补充说，这项皇冠体育研究预示了这个合作小组未来可能的发现，这个合作小组将包括印度科学皇冠体育研究所的纳米科学与工程中心，以及国家标准与技术皇冠体育研究所的微系统和纳米技术部门。
这项多学科和多国皇冠体育研究由新加坡国家皇冠体育研究基金会在竞争性皇冠体育研究计划下支持；科学与工程皇冠体育研究委员会，印度；德州农工大学校长卓越基金X-Grants项目；新加坡科学、技术与皇冠体育研究（A*STAR），获先进制造与工程个人皇冠体育研究资助；俄克拉荷马CQRT大学的创业基金；以及爱尔兰科学基金会。
请通过自然：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03748-0阅读本文
