Nieuw materiaal onthoudt zoals het menselijk brein

Onderzoekers aan de Universiteit Twente hebben een materiaal ontwikkeld met een geheugenfuntie die lijkt op de synapsen en neuronen in ons brein. Anders dan het zwart-wit computergeheugen dat enen en nullen opslaat, maakt het materiaal veel verschillende geheugentoestanden mogelijk, ‘brain-inspired computing’, dat leidt tot sneller rekenen bij een lager energieverbruik.

Het materiaal dat de basis kan zijn voor brain-inspired computing, is lood-zirkonium-titanaat (PZT). Dit materiaal heeft verschillende aantrekkelijke eigenschappen. Een daarvan is dat het ferro-elektrisch is: je kunt het in een gewenste toestand laten ‘omklappen’: ‘toestand 0’ of ‘toestand 1’. Waarbij die toestand ook bewaard blijft als er geen elektrisch veld meer is. Om computers sneller te laten opstarten, zou zo’n ferro-elektrisch geheugen, gecombineerd met de gebruikelijke halfgeleiderchips, ideaal zijn.

De onderzoekers hebben nu aan het dunne laagje PZT een laagje zinkoxide aangebracht. Ze ontdekten dat bij een heel dun laagje, van 25 nanometer, het omklappen niet alleen van toestand 0 naar toestand 1 gebeurt, of andersom. Het blijkt ook mogelijk om deelgebiedjes tussen de twee toestanden in het kristal te besturen. Zo kunnen er heel veel toestanden opgeslagen worden die tussen 0 en 1 liggen.

Dit proces lijkt op de manier waarop synapsen en neuronen in ons brein informatie wegen. Zogenaamd ‘multistate memories’ gekoppeld aan transistoren zouden in staat moeten zijn om bijvoorbeeld veel sneller patronen te herkennen. Ook ons brein heeft daarvoor veel minder energie nodig dan een geavanceerde computer. Vergeleken met de snelheden van chips, lijken de schrijftijden lang, maar dankzij veel parallelle geheugens ontstaat krachtige hardware.

Momenteel zijn er al wel computerprogramma’s die werken zoals het brein, zoals lerende, neurale netwerken, maar de hardware die gewoon nog met enen en nullen werkt, is een beperking. De nieuwe combinatie van PZT en zinkoxide is een eerste stap om ook de hardware te laten werken als het brein.