По мере развития вычислений и систем искусственного интеллекта привычные устройства хранения данных все хуже справляются с нагрузкой. Они требуют больше энергии, а повышать плотность записи становится сложнее. На этом фоне появляются необычные решения. Например, ученые из Пенсильванского университета соединили синтетические фрагменты ДНК с полупроводниковым материалом и получили гибридный мемристор. Его выделяет стабильность работы и очень низкое энергопотребление.
Почему мемристоры привлекают внимание инженеров
Обычные резисторы в электронных схемах просто ограничивают ток и никак не «запоминают», что с ними происходило раньше — после отключения питания они возвращаются в исходное состояние. Мемристоры ведут себя иначе: их сопротивление зависит от того, какой ток через них проходил раньше, и это состояние сохраняется даже без питания. По сути, такой элемент может не только хранить информацию, но и сразу использовать ее при работе схемы, выполняя простые операции прямо на месте.
Все это напоминает работу нейронов в мозге. Там сигнал не гоняется постоянно между отдельной памятью и процессором — он обрабатывается там же, где и хранится. За счет этого системе не приходится тратить энергию на постоянную передачу данных между разными блоками, и общие затраты энергии оказываются заметно ниже.
В современных компьютерах разделение памяти и вычислительных ядер создает заметное узкое место. Мемристоры помогают его обойти. Именно поэтому исследователи уже несколько лет активно экспериментируют с разными материалами, стремясь добиться стабильной работы таких устройств при минимальном энергопотреблении.
Гибридные решения, где органические и неорганические компоненты работают вместе, сейчас вызывают особый интерес. Такие комбинации позволяют точнее управлять свойствами материала: органическая часть дает гибкость и возможность тонкой настройки структуры на молекулярном уровне, а неорганическая обеспечивает стабильность и предсказуемую проводимость. В итоге (по крайней мере, в теории) можно получить более компактные элементы с низким энергопотреблением, которые лучше подходят для задач, где важно быстро обрабатывать большие потоки информации — например, в системах искусственного интеллекта.
Зарабатывайте до 20% от чека клиента
Присоединяйтесь к партнерской программе до 31.05.2026 и получите повышенную ставку 20% от трат рефералов в первые 3 месяца.
Как синтетическая ДНК объединили с перовскитом
В работе использовали короткие синтетические цепочки ДНК длиной всего 22 нуклеотида. Их заранее спроектировали — подобрали состав и длину так, чтобы они лучше проводили ток и стабильно вели себя в структуре устройства. Затем в ДНК ввели наночастицы серебра, благодаря чему она начала проводить ток и выстраиваться в более упорядоченные структуры на наноуровне. В отличие от природной ДНК, которая обычно ведет себя как хаотичный клубок, такие короткие и более жесткие фрагменты позволяют гораздо точнее задавать архитектуру материала.
Полученный композит соединили с тонкими пленками квази-двумерного галогенидного перовскита состава (PEA)₂(MA)Pb₂I₇. Этот материал уже хорошо известен своими полупроводниковыми свойствами и применяется в солнечных элементах, лазерах и других устройствах. В этой работе он выступил в роли матрицы, которая стабилизировала гибридную структуру.
В итоге сформировались проводящие каналы, где биологический и неорганический компоненты работают как единое целое. Структура мемристора выглядела как Ag / перовскит / AgNP-ДНК / Pt. Авторы отмечают, что сочетание двух материалов дало синергетический эффект: результат оказался заметно лучше, чем при использовании только ДНК или только перовскита по отдельности.
Готовое устройство работает при сверхнизком напряжении — менее 0,1 вольта. Это на порядки ниже типичных рабочих напряжений в современной микроэлектронике, где даже энергоэффективные элементы обычно требуют единицы вольт. Благодаря этому энергопотребление оказалось примерно в сто раз ниже, чем у традиционных флеш-накопителей при схожих операциях. Плотность мощности составила рекордно низкие 0,01 Вт/см².
При этом выигрыш не ограничивается только энергопотреблением. Не менее важным фактором становится потенциальная плотность хранения. Теоретически один грамм ДНК способен хранить около 215 миллионов гигабайт информации. Эти оценки задают ориентир для предельной плотности, к которой стремятся подобные решения. В реальном устройстве, конечно, все сложнее: текущий прототип пока далек от этого максимума, однако уже демонстрирует показатели, превосходящие возможности классических технологий хранения.
При тестировании мемристор уверенно выдерживал нагрев почти до 121 градуса Цельсия и не терял стабильности: соотношение сопротивлений ON/OFF оставалось выше 10⁵ на протяжении шести недель при комнатной температуре, устройство пережило тысячу циклов переключения, а время удержания данных превысило 4 000 секунд — в сумме это даёт результат, который заметно лучше аналогов на основе чистого перовскита.
Где такая технология может найти применение
Подобные биогибридные мемристоры особенно перспективны для нейроморфных вычислительных систем, которые имитируют принципы работы мозга. Там нужно одновременно обрабатывать множество входных сигналов и принимать решения на основе накопленного опыта, без постоянных пересылок данных между блоками. В сфере искусственного интеллекта снижение затрат энергии выходит на первый план. Обучающие дата-центры смогут работать эффективнее, выделяя меньше тепла и требуя более простого охлаждения. Это напрямую влияет на стоимость эксплуатации и экологический след отрасли.
Кроме того, технология подходит для компактных автономных устройств — носимой электроники, сенсоров Интернета вещей и других решений, где критичны малые размеры и длительная работа от батареи. Высокая плотность записи в сочетании с минимальным потреблением дает здесь ощутимое преимущество. В перспективе такие элементы могут войти в состав вычислительных архитектур следующего поколения и помочь справиться с экспоненциальным ростом объемов данных и требований к их обработке.
Исследователи уже подали заявку на патент и в скором времени планируют построить бизнес на базе своего изобретения. Правда, сейчас готов лишь лабораторный образец. От него до серийного продукта предстоит пройти очень длинный путь. Возможно, команда проекта его пройдет, возможно — нет. Что ж, посмотрим. А как вы считаете, получится ли?
