Органический электрохимический транзистор, служащий одновременно датчиком и процессором

В последние годы инженеры пытаются разработать новое оборудование, вдохновленное устройством мозга, которое может более эффективно запускать модели искусственного интеллекта (ИИ). В то время как большая часть существующего оборудования специализируется на обнаружении, обработке или хранении данных, некоторые команды изучают возможность объединения этих трех функций в одном устройстве.

Конструкция переключаемого режима cv-OECT. Предоставлено: Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00950-y−bb

Исследователи из Сианьского университета Цзяотун, Университета Гонконга и Сианьского университета науки и технологий представили новый органический транзистор, который может выступать в качестве датчика и процессора. Этот транзистор, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics, основан на архитектуре вертикального траверса и кристаллически-аморфном канале, который может быть селективно легирован ионами, что позволяет ему переключаться между двумя реконфигурируемыми режимами.

«Обычное оборудование искусственного интеллекта (ИИ) использует отдельные системы для обнаружения, обработки и хранения данных», — сказали профессор Вэй Ма и профессор Чжунжуй Ван, проводивших исследование.

«Такое разделение часто приводит к значительному потреблению энергии и временным задержкам из-за постоянной необходимости передачи данных между различными аппаратными компонентами и последовательного преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Некоторые новаторские исследования выявили замечательные сенсорные и аналоговые возможности памяти органических электрохимических транзисторов (OECT)».

Первоначальная цель недавнего исследования исследователей состояла в том, чтобы разработать OECT, который может работать как в качестве датчика, так и в качестве процессора, поскольку такое устройство может позволить создать более однородное и эффективное аппаратное обеспечение ИИ. OECT — это органические электронные устройства на основе тонких пленок, которые функционируют как транзисторы. Их тонкость делает их особенно перспективными для развития интеллектуальной биоэлектроники, такой как носимые или имплантируемые устройства и нейроморфное оборудование.

OECT, разработанный Ваном, Ченом и их коллегами, имеет два разных режима работы, а именно режим обнаружения и режим обработки. Эти два различных режима поддерживаются селективным ионным легированием кристаллически-аморфного канала внутри устройства.

«В режиме зондирования ионы в электролите, управляемые физиологическим сигналом, мигрируют в кристаллическую структуру, но они могут легко диффундировать обратно в электролит, сохраняя канал в состоянии низкой проводимости», — объяснил Ван. «В режиме обработки эти ионы могут быть «захвачены» кристаллической структурой, поддерживая канал в состоянии высокой проводимости. Эта двойная функциональность делает наше устройство OECT уникальным и эффективным».

Для производства своего массива OECT исследователи использовали ряд простых методов и процессов, включая термическое испарение, покрытие лопастей раствором, термический отжиг и реактивное ионное травление. Поскольку все эти методы являются экономически эффективными, они могут облегчить крупномасштабное изготовление своего устройства.

«Наше устройство также может похвастаться впечатляющей универсальностью», — сказал Ван. «Как датчик, он может обнаруживать различные виды сигналов, например, от электрофизиологии, химических веществ, света и температуры. Кроме того, как блок памяти, он предлагает ряд преимуществ, таких как возможность хранения 10-битных аналоговых состояний, низкая случайность переключения и сохранение состояния более 10 000 секунд. Это делает наше устройство OECT универсальным инструментом в мире искусственного интеллекта».

Ван, Чен и их коллеги оценили свое устройство и его способность переключаться между различными режимами работы в серии экспериментов. Они обнаружили, что динамика их OECT может быть эффективно модулирована, что позволяет ему хорошо функционировать как в качестве датчика, так и в качестве процессора.

В качестве датчика устройство может воспринимать различные типы стимулов, включая ионы и свет. Как процессор, он способен работать с 10-битными аналоговыми состояниями, при этом хорошо сохраняя эти состояния.

«Новое устройство, которое мы разработали, имеет две различные схемы работы из-за того, где задерживаются ионы», — сказал Шицзе. «В результате он функционирует как датчик и процессор. Эта реконфигурируемость является биоинспирированной, что также делает будущее нейроморфное оборудование более универсальным и адаптируемым».

В будущем транзистор, созданный этой командой исследователей, может быть использован для создания передовых нейроморфных устройств, которые могут собирать различные типы данных и обрабатывать их. В рамках своего исследования Ван, Чен и их коллеги показали, что его можно использовать для диагностики сердечных заболеваний в режиме реального времени, и их следующие работы могут исследовать более перспективные приложения.

Оригинал статьи: Shijie Wang et al, An organic electrochemical transistor for multi-modal sensing, memory and processing, Nature Electronics (2023).

DOI: 10.1038/s41928-023-00950-y 🔗