一種新的微電子設備可以通過使用電脈衝按需對計算機硬件進行編程和重新編程。一個包括美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室在內的多機構合作，已經創造了一種材料，可用於製造能夠做到這一點的計算機芯片。它通過使用所謂的 “神經形態”電路和計算機架構複製大腦功能來實現這一目標。普渡大學教授Shriram Ramanathan領導了該團隊。
“人類的大腦實際上可以因學習新事物而發生變化，”論文合著者Subramanian Sankaranarayanan說，他在阿貢國家實驗室和伊利諾伊大學芝加哥分校擔任聯合職務。“我們現在已經創造了一個設備，讓機器以類似大腦的方式重新配置它們的電路。”
有了這種能力，基於人工智能的計算機可能會更快、更準確地完成困難的工作，同時使用更少的能源。一個例子是分析複雜的醫療圖像。自動駕駛汽車和太空中的機器人可能會根據經驗重新連接它們的電路，這是一個更未來的例子。
新設備中的關鍵材料由釹、鎳和氧組成，被稱為鈣鈦礦鎳酸釹。研究小組給這種材料注入了氫氣，並在其上附加了電極，允許在不同電壓下施加電脈衝。
Sankaranarayanan說：“氫氣在鎳酸鹽中的數量以及它的位置，改變了電子特性。而我們可以通過不同的電脈衝來改變它的位置和濃度。”
“這種材料具有多層次的特性，”論文共同作者、阿貢國家實驗室物理學家周華補充說。“它具有日常電子產品的兩種常見功能–開啟和阻斷電流，以及儲存和釋放電力。真正新的和引人注目的是增加了與大腦中突觸和神經元的獨立行為類似的兩種功能。 一個神經元是一個單一的神經細胞，通過突觸與其他神經細胞連接。神經元發起對外部世界的感應。”
在其貢獻中，阿貢團隊對不同電壓下的鎳酸釹裝置所發生的事情進行了計算和實驗表徵。為此，他們依靠能源部科學辦公室在阿貢的用戶設施：先進光子源、阿貢領導計算設施和納米材料中心。
實驗結果表明，只要改變電壓就能控制氫離子在鎳酸鹽中的移動。一定的電壓使氫氣集中在鎳酸鹽中心，產生類似神經元的行為。不同的電壓使氫離子從中心穿梭出來，產生類似突觸的行為。在不同的電壓下，氫的位置和濃度會引起計算機芯片的通斷電流。
阿貢國家實驗室科學家Sukriti Manna說：“我們在原子尺度上揭示這一機制的計算是超級密集的。”該團隊不僅依靠阿貢領導層計算設施的計算能力，而且還依靠國家能源研究科學計算中心，這是美國能源部科學辦公室在勞倫斯伯克利國家實驗室的用戶設施。
該機制的確認部分來自高級光子源33-ID-D光束線上的實驗。
周華說：“多年來，我們與普渡大學的小組建立了非常富有成效的夥伴關係。在這裡，研究小組準確地確定了在不同電壓下鎳酸鹽內部的原子排列。特別重要的是跟蹤材料在原子尺度上對氫氣運動的反應。”
利用該團隊的鎳酸鹽設備，科學家們將努力創建一個人工神經元和突觸的網絡，可以從經驗中學習和修改。這個網絡將隨着新信息的出現而增長或縮小，從而能夠以極高的能源效率工作。而這種能源效率將轉化為更低的運營成本。
以該團隊的設備為構件的大腦啟髮式微電子技術可能有一個光明的未來。這一點尤其重要，因為該裝置可以在室溫下通過與半導體行業實踐相兼容的技術製造。
阿貢團隊的相關工作得到了美國能源部基礎能源科學辦公室，以及空軍科學研究辦公室和國家科學基金會的資助。