[Image by Michael Dziedzic on Unsplash]
आधुनिक संगणक प्रचंड मोठ्या माहितीसाठ्यावर संगणकीय क्रिया करतात. या प्रक्रियांना संगणकीय भाषेमध्ये तार्किक क्रिया म्हणजेच ‘लॉजीकल ऑपरेशन्स’ असे म्हणले जाते. ही प्रचंड माहिती विशिष्ट प्रकारच्या ‘मेमरी डिव्हाईस’मध्ये, म्हणजेच माहितीसाठा करणाऱ्या साधनांमध्ये साठवलेली असते. या क्रिया करताना संगणन करणाऱ्या भागांना, रँडम ऍक्सेस मेमरी किंवा रॅम या तात्पुरत्या मेमरीबरोबर मोठ्या प्रमाणात माहितीची देवाण-घेवाण करावी लागते. मेमरीच्या साधनांमधून योग्य ती माहिती शोधणे आणि त्यावर प्रक्रिया करणे अधिकाधिक जलद गतीने होण्याची गरज हळू हळू वाढत गेली आहे. त्यामुळे त्यासाठी लागणाऱ्या संगणनाचा वेग वाढण्याची गरज निर्माण झाली.
ही गरज भागवण्यासाठी एक उपाय म्हणजे माहिती साठवणारे घटक आणि संगणन करणारे घटक यांच्यातील संवादाचा वेग वाढवणे. आणि दुसरा, आणखी अभिनव उपाय म्हणजे अशा मेमरी चिप तयार करणे, ज्या माहिती तर साठवतीलच पण संगणन देखील करू शकतील. यामुळे माहिती शोधून ती एका भागाकडून दुसऱ्या भागाकडे पाठवण्यात खर्च होणारा वेळ वाचेल. भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आयआयटी, बॉम्बे) येथील संशोधकांनी एक नवे तंत्र शोधून काढले आहे, ज्याद्वारे रॅममध्येच तार्किक संगणकीय क्रिया (लॉजीकल ऑपरेशन्स) केल्या जाऊ शकतात. आणि प्रथमच, संगणन व माहिती साठवणे या दोन्ही कार्यांसाठी वापरता येईल असे एकच साधन त्यांनी यशस्वीरीत्या तयार केले आहे.
या अभ्यासप्रकल्पाला विज्ञान व तंत्रज्ञान विभाग (डीएसटी), इलेक्ट्रॉनिक्स आणि माहिती तंत्रज्ञान मंत्रालय (MeitY) आणि इलेक्ट्रॉनिक्स विभाग, भारत सरकार, तसेच इंटेल व टेक्सास इन्स्ट्रूमेंट्स यांच्यासारखे सदस्य असलेला आंतरराष्ट्रीय उद्योग संघ ‘सेमीकंडक्टर रिसर्च कॉर्पोरेशन (एसआरसी) यांचे अर्थसहाय्य लाभले आहे. हे संशोधन आयईईईच्या इलेक्ट्रॉन डिव्हाईस लेटर्स आणि एसीएसच्या अप्लाइड इलेक्ट्रॉनिक मटेरियल्स या नियतकालिकांमध्ये प्रसिद्ध झाले आहे.
संगणकामधील ‘लॉजीकल ऑपरेशन्स’ करण्यासाठी ट्रांझिस्टर या सूक्ष्म उपकरणाचा वापर केला जातो. ट्रांझिस्टर विद्युत प्रवाह नियंत्रित करू शकतात. परंतु, त्यांचा वापर करून झाल्यानंतर त्यांच्यात विद्युत प्रवाह कसा नियंत्रित केला गेला होता याबाबत कोणतीही स्मृती रहात नाही. त्यामुळे, माहिती साठवण्यासाठी, म्हणजेच मेमरी डिव्हाईस म्हणून ट्रांझिस्टर निरुपयोगी ठरतात.
माहिती साठवण्यासाठी ज्यांचा उपयोग होण्याची शक्यता आहे अशी आणखी साधने म्हणजे रेझिस्टीव्ह रॅम. या नॅनो-डिव्हाईसेस मध्ये एक इनपुट व एक आऊटपुट टर्मिनल अशी दोन टर्मिनल असतात. दोन रेझिस्टीव्ह रॅमची विशिष्ट प्रकारची जोडी वापरुन संगणन घडवून आणण्यात यापूर्वी संशोधकांना यश मिळाले आहे. अशा पद्धतीने वापरलेल्या दोन रॅम, इनपुटमधील विद्युत दाबामध्ये बदल करणे किंवा विद्युत प्रवाह नियंत्रित करणे यासारख्या प्रक्रिया-मालिका पार पाडू शकल्या. तसेच, दोन आऊटपुट टर्मिनलमधील विद्युत-रोध मोजून त्याद्वारे आधी केलेल्या प्रक्रिया-मालिकांचे परिणाम देखील त्या आठवू शकल्या. त्यामुळे, अशा प्रकारच्या विशिष्ट जोडीमध्ये वापरलेल्या रेझिस्टीव्हरॅम माहिती साठवण्यासाठी वापरल्या जाऊ शकतात.
परंतु, संगणकीय क्रिया आणि माहिती साठवणे ही दोन्ही कामे करण्यासाठी एक विशिष्ट जोडी बनवायची असेल तर त्यासाठी संशोधकांना प्रथम दोन रेझिस्टीव्ह रॅम जोडण्यासाठी बरीच प्रक्रिया करावी लागते. यामुळे, संगणकीय क्रियांचा वेग मंदावतो आणि आधी बऱ्याच प्रक्रिया केल्यामुळे या साधनाचा टिकाउपणा कमी होतो. तसेच, त्यांची माहिती साठवण्याची उपलब्ध क्षमता देखील यामुळे कमी होते.
या मर्यादांवर मात करण्यासाठी यापूर्वी वेगवेगळ्या संशोधकांनी तीन टर्मिनल असेलेली रेझिस्टीव्ह रॅम विकसित करण्याचे ध्येय बाळगले. तिसऱ्या टर्मिनलमुळे दोन रेझिस्टीव्ह रॅमची जोडी तयार करण्यासाठीची, अनेक टप्पे असलेली मोठी प्रक्रिया टळू शकते. यामुळे, संगणन करणे आणि इनपुट व आऊटपुटच्या एकाच फेरी मध्ये ट्रांझिस्टर व मेमरी ही दोन्ही कार्ये साध्य करणे शक्य होते. त्यामुळे, विजेची बचत होते आणि रेझिस्टीव्ह रॅममध्ये उपलब्ध मेमरीची एकूण क्षमता देखील वाढते. परंतु, आतापर्यंत यासाठी केल्या गेलेल्या प्रयत्नांना यश आले नव्हते.
मात्र आता आयआयटी, मुंबई येथील संशोधकांना हे तिसरे टर्मिनल तयार करण्यात यश आले आहे. त्यासाठी त्यांनी दोन टर्मिनल असलेल्या रेझिस्टीव्ह रॅमवर धातूच्या ऑक्साईडचा थर चढवण्याची पद्धत वापरली. “आम्ही त्यामध्ये, ऑक्साईडच्या थराच्या बाजूला अतिसूक्ष्म (नॅनोस्केल) तिसरा टर्मिनल घालण्यात यशस्वी झालो. परंतु, खरे आव्हान तो अशा पद्धतीने आत सरकवण्यात होते जेणेकरून दोन टर्मिनल असलेल्या रेझिस्टीव्ह रॅमचे नियंत्रण आणि संवेदन (सेन्सिंग) यशस्वीरित्या होईल, पण त्याचबरोबर तिच्या कार्यामध्ये अडथळा येणार नाही.” असे या अभ्यासातील एक सह-लेखक प्रा. उदयन गांगुली म्हणाले.
तीन टर्मिनल असलेल्या रेझिस्टीव्ह रॅममधील विद्युत प्रवाह आणि विद्युत दाब यातील परस्पर-संबंध आणि आणि या रॅमचे पृष्ठभागावर असलेले अवलंबीत्व यांचा अनेक प्रयोगांच्या माध्यमातून अभ्यास केल्यावर संशोधकांना असे दिसले की विद्युत-रोध केवळ पृष्ठभागापुरता मर्यादित न राहता संपूर्ण आकारमानात पसरतो. यावरून त्यांनी हे सिद्ध केले की तिसरा टर्मिनल निश्चितच या साधनामधून वाहणाऱ्या विद्युत प्रवाहाप्रति संवेदनशील असतो.
“केवळ बाह्य पृष्ठावर (इंटरफेस) न राहता हा वाढीव विद्युत-रोध संपूर्ण रेझिस्टीव्ह रॅमवरील नियंत्रणामध्ये बदल करतो ही फारच आकर्षक बाब आहे. हा अस्थिरता व अनिश्चितता (रॅण्डम व्हेरिएशन) कमी करून अशा साधनाला अधिक स्थिर बनवतो - ज्यामुळे उपकरणाचे काम अधिक खात्रीशीर होते,” असे प्राध्यापक गांगुली म्हणतात. तीन टर्मिनल असलेली रॅम निरनिराळ्या संयुक्त पद्धतींनी वापरून काही सर्वकामी संगणन क्रिया साध्य करण्यात संशोधकांनी यश मिळवले, ज्या कोणत्याही लॉजिक सर्किटच्या पायाभूत क्रिया असतात. त्यामुळे, तीन टर्मिनल असलेल्या रेझिस्टीव्ह रॅमचा संगणन आणि माहिती साठवणे या दोन्हीसाठी वापर होऊ शकतो.
“आम्ही जे करून दाखवले आहे ते, संगणन व माहितीसाठा हे दोन्ही प्रत्यक्षात करु शकणाऱ्या साधनांची मोठ्या प्रमाणात निर्मिती करण्याच्या दृष्टीने एक छोटे पाऊल आहे,” प्रा. गांगुली नोंदवतात. इंटेल व टेक्सास इन्स्ट्रूमेंट्स यांच्यासारखे सदस्य असलेला आंतरराष्ट्रीय उद्योग संघ ‘सेमीकंडक्टर रिसर्च कॉर्पोरेशन’ हा अद्यापही या अभ्यासाला अर्थसाहाय्य देत आहे आणि पुढील योजना ठरवण्यासाठीचे काम पूर्ण वेगात सुरू आहे. “भविष्यातील मायक्रो-प्रोसेसरचे कार्य सुधारण्यासाठी तीन टर्मिनल असलेल्या रेझिस्टीव्ह रॅमचा कसा उपयोग होऊ शकतो याचा शोध आम्ही सध्या घेत आहोत, जेणेकरून कृत्रिम बुद्धिमत्तेसाठी त्यांचा उपयोग होईल.” प्रा. गांगुली शेवटी म्हणतात.