Parallel Spatial Photonic Programming of Optoelectronic IGZO RRAM with a compact $\mu$LED Array

आज के कंप्यूटर उस तर्क पर आधारित हैं जो सोचने और याद रखने को अलग करता है। दशकों से उपयोग किए जाने वाले मानक डिज़ाइन में, एक प्रोसेसर परिणाम की गणना करता है, फिर उस परिणाम को संग्रहीत करने के लिए एक अलग मेमोरी यूनिट में भेजता है, और फिर अगले चरण के लिए उसे फिर से प्राप्त करता है। डेटा का यह निरंतर आवागमन एक बाधा (bottleneck) पैदा करता है, जिससे सिस्टम धीमा हो जाता है और भारी मात्रा में ऊर्जा की खपत होती है, विशेष रूप से जब मानव मस्तिष्क की जटिल, समानांतर प्रोसेसिंग (parallel processing) की नकल करने की कोशिश की जाती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक प्रकार का नया हार्डवेयर विकसित कर रहे हैं जो मेमोरी और प्रोसेसिंग को एक ही डिवाइस में जोड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे हमारे अपने तंत्रिका तंत्र के सिनैप्स (synapses) होते हैं। ये डिवाइस, जिन्हें अक्सर मेमरिस्टर (memristors) कहा जाता है, जानकारी को संग्रहीत करने के लिए अपने आंतरिक प्रतिरोध (resistance) को बदल सकते हैं, जिससे वे पिछले इनपुट को प्रभावी ढंग से याद रख पाते हैं। जबकि पारंपरिक संस्करण इस मेमोरी को लिखने और मिटाने के लिए बिजली का उपयोग करते हैं, एक नया क्षेत्र उभर रहा है जहाँ इन उपकरणों को प्रोग्राम करने के लिए स्वयं प्रकाश (light) का उपयोग किया जाता है। यह दृष्टिकोण ऑप्टिक्स की गति और समानांतरता (parallelism) को सीधे मेमोरी चिप्स के केंद्र में लाने का वादा करता है, जिससे कंप्यूटर संभावित रूप से दृश्य जानकारी को प्रकाश को विद्युत संकेतों में बदलने के विलंब के बिना, सीधे महसूस किए जाने के दौरान ही प्रोसेस कर सकेंगे।

हाल ही में एक अध्ययन में, यूनिवर्सिटी ऑफ स्ट्रैथक्लाइड और यूनिवर्सिटी ऑफ एडिनबर्ग के शोधकर्ताओं ने एक लाइट-सेंसिटिव मेमोरी सेल्स के ग्रिड पर सूचना के पैटर्न लिखने के लिए छोटे लाइट-एमिटिंग डायोड्स के एक कॉम्पैक्ट ऐरे (array) का उपयोग करके एक प्रणाली बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। टीम ने इंडियम गैलियम जिंक ऑक्साइड नामक एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो प्रकाश के संपर्क में आने पर अपने विद्युत गुणों को बदल देती है। उन्होंने इस सामग्री की परतों का उपयोग करके छोटे, टू-टर्मिनल (two-terminal) डिवाइस बनाए, और एक ही चिप पर तीस-दो (32) ऐसे उपकरणों को व्यवस्थित किया। इन उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए, उन्होंने किसी एकल लेजर बीम या जटिल ऑप्टिकल सेटअप का उपयोग नहीं किया, बल्कि एक कस्टम-मेड माइक्रो-एलईडी (micro-LED) ऐरे का उपयोग किया। इस ऐरे में सैकड़ों छोटे प्रकाश स्रोत शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक को व्यक्तिगत रूप से चालू या बंद किया जा सकता है, जो एक डिजिटल प्रोजेक्टर की तरह कार्य करता है जो चिप के विशिष्ट स्थानों पर सीधे प्रकाश पेंट कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इन माइक्रो-एलईडी से मेमोरी सेल्स पर नीली रोशनी डालने से उनके विद्युत प्रतिरोध में नाटकीय और नियंत्रणीय परिवर्तन हुआ। जब प्रकाश सामग्री से टकराया, तो प्रतिरोध कम हो गया, जिससे डिवाइस में एक नई स्थिति (state) प्रभावी रूप रूप से "लिखी" गई। यह प्रक्रिया उस प्रक्रिया के विपरीत थी जो तब होती थी जब उन्होंने केवल बिजली का उपयोग किया था; नकारात्मक विद्युत वोल्टेज लगाने से प्रतिरोध बढ़ गया। इन दोनों विधियों को जोड़कर, टीम ने एक हाइब्रिड सिस्टम का प्रदर्शन किया जहाँ प्रकाश मेमोरी स्टेट सेट कर सकता था और बिजली इसे रीसेट कर सकती थी। इस प्रतिगामी तंत्र (counteracting mechanism) ने उन्हें डिवाइस के व्यवहार को सूक्ष्म रूप से नियंत्रित करने की अनुमति दी, जिससे एक ऐसा सिस्टम बना जिसे प्रकाश के साथ प्रोग्राम किया जा सकता था और इलेक्ट्रिकल पल्स के साथ क्लियर किया जा सकता था। अध्ययन ने दिखाया कि प्रकाश-प्रेरित परिवर्तन केवल क्षणिक नहीं थे; डिवाइसों ने जानकारी को आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक बनाए रखा, जो कई मिनटों में धीरे-धीरे रिकवर हुई। यह रिकवरी एक जैविक अवधारणा की नकल करती है जिसे 'फेडिंग मेमोरी' (fading memory) कहा जाता है, जहाँ हाल की घटना की स्मृति कुछ समय तक बनी रहती है और अंततः गायब हो जाती है, जो उन प्रणालियों के लिए एक अत्यधिक वांछनीय विशेषता है जिन्हें समय के साथ घटनाओं के अनुक्रमों को प्रोसेस करने की आवश्यकता होती है।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह सिस्टम जटिल कार्यों को संभाल सकता है, टीम ने पैटर्न को याद रखने की इसकी क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने सूचना के चार बिट्स के एक अनुक्रम को प्रोग्राम किया, जहाँ प्रत्येक बिट को प्रकाश की चमक या उसकी अनुपस्थिति द्वारा दर्शाया गया था। क्योंकि मेमोरी धीरे-धीरे फीकी पड़ती थी, इसलिए अनुक्रम के अंत में डिवाइस की स्थिति सभी चार इनपुट का मिश्रण थी। अंतिम प्रतिरोध को पढ़कर, वे उच्च सटीकता के साथ विभिन्न चार-बिट पैटर्न के बीच अंतर कर सके। इसने प्रदर्शित किया कि एक एकल डिवाइस एक 'टेम्पोरल एनकोडर' (temporal encoder) के रूप में कार्य कर सकता है, जो प्राप्त प्रकाश स्पंदों (pulses) के इतिहास को याद रखता है। शोधकर्ताओं ने फिर इसे बड़े स्तर पर परखा, यह दिखाते हुए कि वे चार अलग-अलग माइक्रो-एलईडी का उपयोग करके चार अलग-अलग मेमोरी सेल्स को एक साथ प्रोग्राम कर सकते हैं। उन्होंने चिप पर प्रकाश के विभिन्न स्थानिक पैटर्न (spatial patterns) प्रोजेक्ट किए, और प्रत्येक सेल ने केवल अपने ऊपर पड़ने वाले प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया दी, बिना अपने पड़ोसियों के हस्तक्षेप के। इस समानांतर संचालन ने सिद्ध किया कि सिस्टम एक एकल फ्लैश में पूरे चित्र या डेटा मैट्रिक्स को चिप पर लिख सकता है, बजाय इसके कि उन्हें एक-एक बिट करके लिखा जाए।

इस प्रयोग की सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि प्रकाश सामग्री के साथ किस विशिष्ट तरीके से परस्पर क्रिया करता है। उपकरणों में उपयोग की जाने वाली इंडियम गैलियम जिंक ऑक्साइड की परतों में सूक्ष्म दोष (defects) होते हैं जहाँ ऑक्सीजन परमाणु गायब होते हैं। जब नीली रोशनी सामग्री से टकराती है, तो यह इन दोषों को ऊर्जा प्रदान करती है, जिससे इलेक्ट्रॉन मुक्त होते हैं और प्रवाह के लिए स्वतंत्र होकर प्रतिरोध को कम कर देते हैं। जब प्रकाश हटाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन धीरे-धीरे फिर से फंस जाते हैं, और प्रतिरोध वापस ऊपर की ओर बढ़ता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि वे प्रकाश स्पंदों की चमक, अवधि और आवृत्ति को समायोजित करके प्रतिरोध में होने वाले परिवर्तन को नियंत्रित कर सकते हैं। उन्होंने यह भी खोजा कि निर्माण के दौरान सामग्री को गर्म करने से उसके रिस्पॉन्स में बदलाव आया, जिससे उन्हें बेहतर प्रदर्शन के लिए डिवाइस को ट्यून करने की सुविधा मिली। माइक्रो-एलईडी से प्रकाश को केंद्रित करने के लिए एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन माइक्रोस्कोप ऑब्जेक्टिव का उपयोग करके, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि प्रकाश सूक्ष्म मेमोरी सेल्स पर सटीकता के साथ गिरे, जिससे एक सेल के दूसरे को प्रभावित करने की संभावना न्यूनतम हो जाए।

यह कार्य न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए एक व्यावहारिक मार्ग को रेखांकित करता है, जहाँ हार्डवेयर को उसी तरह जानकारी संसाधित करने के लिए डिज़ाइन किया जाता है जैसे कि एक मस्तिष्क। प्रकाश का उपयोग करके मेमोरी को प्रोग्राम करके, यह सिस्टम तारों के माध्यम से विद्युत धाराओं को चलाने से जुड़े ताप और ऊर्जा खर्चों से बचता है। चिप पर सीधे स्थानिक पैटर्न लिखने की क्षमता यह सुझाव देती है कि भविष्य के उपकरण कैमरों या सेंसरों के साथ एकीकृत किए जा सकते हैं, जिससे उन्हें दृश्य डेटा को आते ही तुरंत प्रोसेस करने की अनुमति मिलेगी। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका दृष्टिकोण स्केलेबल (scalable) है, जिसका अर्थ है कि समान सिद्धांतों को मेमोरी सेल्स के बहुत बड़े ऐरे पर लागू किया जा सकता है। हालांकि वर्तमान सेटअप में एक विशिष्ट प्रकार की रोशनी और एक विशिष्ट सामग्री का उपयोग किया गया है, लेकिन मेमोरी अवस्थाओं को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करने की अंतर्निहित अवधारणा कंप्यूटर की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलती है जो तेज़, अधिक कुशल और आधुनिक दुनिया के विशाल डेटा स्ट्रीम को संभालने में सक्षम है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि प्रकाश केवल जानकारी भेजने का एक तरीका नहीं है, बल्कि मशीन की स्मृति को आकार देने का एक शक्तिशाली उपकरण भी है।