钙钛矿纳米晶体可用于更好的计算？

欧洲团队以脑细胞为灵感制造新型计算机组件

人类的大脑在许多方面都优于现代计算机。虽然大多数人的数学速度不如计算机，但他们可以毫不费力地处理复杂的感官信息并从经验中学习。大脑在完成这一切的同时消耗的能量还不到笔记本电脑的一半。

其中一个原因是神经元及其连接（突触）既可以存储信息，也可以处理信息。然而，在计算机中，存储器与处理器是分开的，数据必须来回传输。传输速度是有限的，当处理大量数据时，这可能会减慢整个计算机的速度。

一种解决方案是以人脑为模型的新型计算机体系结构，如忆阻器。现在，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组研究人员已经用卤化物钙钛矿纳米晶体制造了忆阻器。他们的研究结果发表在《科学进展》杂志上。

“卤化物钙钛矿既能传导离子又能传导电子，”苏黎世联邦理工学院和Empa的前ETH研究员兼博士后研究员Rohit John解释道。“这种双重导电性使得计算更加复杂，与大脑中的过程非常相似。”

研究人员完全在Empa进行了这项研究的实验部分：他们在薄膜和光伏实验室制造薄膜忆阻器，并在纳米尺度界面传输实验室研究其物理特性。根据测量结果，他们模拟了一项复杂的计算任务，该任务对应于大脑视觉皮层的学习过程。这项任务包括根据来自视网膜的信号来确定光的方向。

苏黎世联邦理工学院教授、Empa功能无机材料研究小组负责人Maksym Kovalenko表示：“据我们所知，这只是第二次在忆阻器上进行这种计算。同时，我们的忆阻器比以前更容易制造。”这是因为，与许多其他半导体相比，钙钛矿在低温下结晶。此外，新的忆阻器不需要通过施加特定电压来进行复杂的预处理，这是类似设备执行此类计算任务所需要的。这使它们更快、更节能。

互补而非替代

这项技术还没有完全准备好部署。新的忆阻器制造起来很容易，这也使得它们很难与现有的计算机芯片集成。钙钛矿无法承受处理硅所需的400至500摄氏度的温度——至少目前还不能。

但根据米兰理工大学教授Daniele Ielmini的说法，这种集成是新型类脑计算机技术成功的关键。“我们的目标不是取代经典的计算机体系结构，”他解释道。“相反，我们希望开发能够更快、更高效地执行某些任务的替代架构。例如，包括并行处理大量数据，这些数据是当今从农业到太空探索等各个领域产生的。”

令人欣慰的是，还有其他具有类似特性的材料可以用来制造高性能的忆阻器。“我们现在可以用不同的材料测试我们的忆阻器设计，”米兰理工大学的博士生Alessandro Milozzi说。“很可能其中一些更适合与硅集成。”

参考文献

Rohit Abraham John et al' 'Ionic-electronic halide perovskite memdiodes enabling neuromorphic computing with a second-order complexity'; Science Advances (2022).

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