Нейроморфное устройство на одной молекуле с энергопотреблением на переключение на уровне аДж

Разумы, которые щадят энергию

По мере роста возможностей искусственного интеллекта растёт и аппетит его вычислительной техники. В этой работе описано крошечное электронное устройство, собранное из одной молекулы, которое ведёт себя отчасти как нервный синапс и при этом расходует почти немыслимо мало энергии. Такие устройства в будущем могут помочь запускать умные технологии, используя лишь долю современной электроэнергии.

Почему важны такие крошечные «мозговые» переключатели

Современный ИИ опирается на огромные сети искусственных «нейронов», работающие на обычных чипах. Обучение этих сетей может требовать энергии, сопоставимой с потреблением тысяч домохозяйств, что создаёт экономические и экологические проблемы. Биологические же мозги выполняют сложные задачи обучения и памяти, затрачивая энергию, эквивалентную лишь тусклой лампочке. Инженеры поэтому стремятся аппроксимировать некоторые свойства реальных синапсов — соединений между нейронами — напрямую в аппаратуре. Описанная здесь работа доводит эту идею до предела, уменьшая синапсоподобный элемент до одной молекулы и при этом сохраняя способность хранить и обрабатывать информацию.

Одна молекула, которая запоминает

Исследователи построили своё устройство вокруг одной органической молекулы, подвешенной между двумя золотыми электродами в жидкости с подвижными заряженными частицами — ионами. Применяя крошечные электрические импульсы, они могли подталкивать положительно заряженные ионы к молекуле или отводить их прочь. Эти ионы слегка скручивают или выпрямляют молекулу, изменяя лёгкость прохождения электрического тока через неё. Каждый отдельный уровень тока действует как разная сила памяти. В тестах устройство надежно переключалось между более чем десятью такими уровнями и делало это, потребляя около 6,34 аттожоуля энергии на операцию — значительно меньше, чем у уже эффективных экспериментальных устройств на более крупных структурах.

Копируя способы, которыми учится мозг

Реальные синапсы становятся сильнее или слабее в зависимости от частоты и временной близости активаций — свойство, известное как пластичность. Устройство на одной молекуле демонстрирует аналогичное поведение. Когда команда подавала пары или серии электрических импульсов, проводимость контакта резко возрастала, а затем либо быстро сходила на нет, как кратковременная память, либо переходила в долгое устойчивое состояние, как долговременная память. Авторы воспроизводили классические паттерны обучения, такие как «усиление при парном импульсе», когда второй сигнал, идущий вскоре после первого, даёт усиленный эффект, и «учить — забывать — переучивать», когда ранее натренированное соединение переобучается быстрее при следующем подходе.

Обучение устройства ассоциациям и распознаванию

Чтобы подчеркнуть практические применения, авторы запрограммировали шаблоны импульсов, имитирующие знаменитый эксперимент Павлова. Один шаблон выступал нейтральным сигналом, как звонок, а другой — безусловным событием, например показ пищи. Когда оба шаблона многократно подавались вместе, молекулярный синапс позже сильно реагировал на нейтральный сигнал один, подобно тому как собака учится выделывать слюну при звуке звонка. Устройство также различало короткие и длинные импульсы, кодирующие точки и тире в азбуке Морзе, что позволяло ему распознавать простые последовательности. Параметры, измеренные на устройстве, затем использовали в компьютерной модели спайковой нейронной сети, которая показала высокую точность при классификации рукописных цифр.

Как движение ионов управляет эффектом

В основе этих явлений лежит тонкий танец ионов и формы молекулы. Численные моделирования и контрольные эксперименты показали, что когда у определённых громоздких положительных ионов образуются скопления рядом с молекулой, они нарушают слабые взаимодействия между серой и кислородом внутри неё, искривляя структуру и снижая проводимость. Электрические импульсы отталкивают эти ионы или притягивают их обратно, переводя молекулу через несколько устойчивых конфигураций, соответствующих разным уровням памяти. Энергия, требуемая для перемещения каждого иона, хорошо согласуется с измеренной энергией переключения, что поддерживает картину ионо-контролируемых конформаций как ключевого механизма работы устройства.

К более экологичному искусственному интеллекту

Говоря упрощённо, эта работа демонстрирует, что одна молекула может выступать в роли крошечного настраиваемого синаптического соединения и делать это, потребляя почти исчезающее количество энергии. Хотя такие устройства пока остаются лабораторными демонстрациями, они указывают на будущую аппаратную базу для ИИ, в которой множество синапсоподобных элементов упакованы в очень небольшом пространстве при низких энергозатратах. В случае масштабирования такой подход мог бы сделать передовые вычисления более энергоэффективными и ближе по принципам к тому, как реальные мозги управляют обучением и памятью.

Цитирование: Zhang, H., Ye, J., Gao, M. et al. Single-molecule neuromorphic device with aJ-level power consumption per switching. Nat Commun 17, 4655 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71127-2

Ключевые слова: нейроморфное устройство, одно-молекулярная электроника, синаптическая пластичность, низкоэнергетическое аппаратное обеспечение ИИ, ионо-контролируемая проводимость