可重构器件能够简化半导体电路设计，并提升计算能力和速度

△图：这种新颖的存储器件基于分子系统，能够在若干个离散的序列电压下，在接通和关断状态之间转换 | 图片来源：新加坡国立大学

现今的许多电子设备都依赖于半导体逻辑电路，此类电路是基于硬接线的开关来执行预定义的逻辑功能。新加坡国立大学（NUS）的物理学家与一个国际研究小组共同开发了一种新型分子记忆电阻器（或者说是电子存储器件），其拥有异常出色的存储可重构性。

与硬连线的标准电路不同，这种分子器件可以采用电压进行重新配置，以嵌入不同的计算任务。这种节能型新技术能够提高计算能力和速度，有可能被用于边缘计算，以及电源供应受限的手持式设备和应用。

这项研究在 2021 年 9 月 1 日的《自然》杂志上首度发表，并与印度科学培育协会（Indian Association for the Cultivation of Science）、惠普企业、利莫里克大学、俄克拉何马大学及德州农机大学合作开展。

“这一新发现能有助于边缘计算领域的发展，作为一种复杂巧妙的内存内计算方法，可以克服冯诺依曼瓶颈，后者是许多数字技术中常见的计算处理延迟，它是由于存储器与器件的处理器之间的物理分离所致。”Ariando 副教授说。另外，这种新型分子器件还可能有助于设计具有更高计算能力和速度的下一代处理芯片。

新加坡国立大学物理系研究员、本篇论文的第一作者 Sreetosh Goswami 博士说：“与人类大脑中神经元连接的灵活性和适应性相似，我们的存储器件在运行过程中能针对不同的计算任务进行重新配置，这只需改变外加电压即可实现。除此之外，就像人脑神经元能够储存记忆一样，这种器件也可以保存信息，以供未来检索读取和处理之需。”

该研究小组的 Sreebrata Goswami 博士曾是 NUS 的一名资深研究科学家，之前在印度科学培育协会任教授，他构思和设计了一种属于苯基偶氮吡啶（phenyl azo pyridines）化学家族的分子系统，苯基偶氮吡啶具有一个中心金属原子，该金属原子绑定至被称为配体的有机分子。Sreebrata Goswami 博士解释说：“这些分子很像电子海绵，能够提供多达 6 个电子转移，从而产生 5 种不同的分子状态。此器件的可重构性背后的关键，就是这些状态之间的互连性。”

Sreetosh Goswami 博士创建了一款由一层 40 纳米厚分子膜构成的纤巧电路，这层分子膜夹在一个顶层与一个底层之间，顶层是金，底层为浸金纳米盘和铟锡氧化物。他观察到：当给该器件施加一个负电压后，随即出现了一种前所未有的电流-电压分布曲线。与传统金属氧化物记忆电阻器在某个固定电压下接通和关断不同，这些有机分子器件能在若干个离散的序列电压下，在通-断状态之间切换。

通过采用一种被称为拉曼光谱仪的成像技术，研究人员观察到这些有机分子振动运动中的光谱特征，从而解释了多次状态转变的原因。Sreebrata Goswami 博士解释道：“扫描负电压将触发分子上的配体经历一系列的还原或电子获得，这致使分子在关断和接通状态之间转换。”研究人员使用一种带有“如果-则-否则”（if-then-else）语句的决策树算法来描述分子的行为，传统方法是采用基于基础物理的方程，而决策树算法则被用于几种计算机程序（特别是数字游戏）的编码。

节能型器件的新可能性

该小组在研究的基础上，采用这种新型分子存储器件来运行程序，以完成不同的真实计算任务。作为概念的验证，研究团队展示了自己的技术能够在一个单独步骤中完成复杂的计算，并且可以通过重新编程在下一刻执行另一项任务。

一个单独的分子存储器件可以执行与数千个晶体管相同的计算功能，从而使该技术成为一种更加强大和节能的存储器选项。

Ariando 副教授补充说：“这项技术可能首先在手持式设备中使用，像蜂窝电话和传感器，以及电源供应受限的其他应用。”

该研究小组正在构建纳入自身创新成果的新型器件，并与合作者一起配合工作，以进行与现有技术相关的仿真和基准测试。这篇研究论文的其他作者包括 NUS 的 Abhijeet Patra 和 Santi Prasad Rath、印度科学培育协会的 Rajib Pramanick、惠普企业的 Martin Foltin、利莫里克大学的 Damien Thompson、俄克拉何马大学的 T. Venkatesan、德州农机大学的 R. Stanley Williams。