古怪的氧化物中强烈相互作用的电子可以像大脑一样同步工作

当前的计算基于二进制逻辑(零和一)，也称为布尔计算，但是一种新型的计算体系结构将信息存储在周期性信号的频率和相位中，并且可以像人类大脑一样使用所需的一小部分能量工作根据工程师团队的说法，今天的计算机。

二氧化钒被称为“古怪的氧化物”，因为它在添加少量热量或电流的情况下会从导电金属过渡到绝缘半导体，反之亦然。宾夕法尼亚州电气工程师创建的设备使用二氧化钛衬底上的氧化钒薄膜来创建振荡开关。

使用标准的电气工程特技， 尼基尔舒克拉， 研究生电气工程，增加了一个串联电阻与氧化物设备超过十亿周期来稳定振荡。当舒克拉添加第二个类似的振荡系统时，他发现，随着时间的流逝，这两个设备开始同步振荡。该耦合系统可以为非布尔计算提供基础。Shukla与 电气工程学教授Suman Datta以及宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学助理教授Roman Engel-Herbert共同工作 。他们今天(5月14日)在《科学报告》中报告了他们的结果 。

舒克拉解释说：“这被称为小世界网络。” “您可以在许多生物系统中看到它，例如某些萤火虫。雄性会随机闪烁，但由于某些未知原因，它们会随时间同步。”

大脑还是由紧密聚集的节点组成的小世界网络，这些节点不断发展以实现更高效的信息处理。

Datta补充说：“生物同步无处不在。” “我们想将其用于另一种称为关联处理的计算中，这是一种模拟而非数字的计算方式。”

一组振荡器可以存储模式-例如，某人的头发的颜色，其身高和皮肤纹理。如果第二个振荡器区域具有相同的模式，则它们将开始同步，并且可以读出匹配度。

达塔说：“他们已经在数字化地做这种事情，但是它消耗了大量的能量和大量的晶体管。”

Datta正在与宾夕法尼亚州立大学计算机科学与工程学教授Vijay Narayanan合作 ，探索使用这些耦合的振荡来比现有的嵌入式视觉处理器更有效地解决视觉识别问题。

Shukla和Datta呼吁康奈尔大学材料科学家Darrell Schlom的专业知识来制造二氧化钒薄膜，该薄膜具有与单晶硅相似的极高品质。佐治亚理工学院的计算机工程师Arijit Raychowdhury和Abhinav Parihar的研究生都用数学方法模拟了二氧化钒装置中耦合相变的非线性动力学。Parihar为过渡创建了一个简短的视频模拟，以每秒接近一百万次的速度发生，以显示振荡的同步方式。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学教授Venkatraman Gopalan使用了Argonne实验室的高级光子源来直观表征振荡过程中氧化物薄膜中发生的结构变化。

Datta相信，从目前的两到三个耦合振荡器的网络扩展到制造神经形态计算机芯片所需的大约1亿个紧密堆积的振荡器，将需要7至10年的时间。这种新型设备的好处之一是，它将仅使用数字计算能量的百分之一，从而为设计计算机提供了新的途径。要确定二氧化钒是否可以集成到当前的硅晶圆技术中，还有许多工作要做。

舒克拉说：“这是模拟而不是数字的不同计算范式的基本构建块。”

宾夕法尼亚州立大学的尤金·弗里曼(Eugene Freeman)和格雷格·斯通(Greg Stone)也为这项工作做出了贡献。温海丹和蔡忠厚，阿贡实验室;康奈尔大学的汉钟(Hanjong Paik)。

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