Adakah hala tuju masa depan pengkomputeran AI 'cip air'?

Masa depan pengkomputeran rangkaian saraf mungkin lebih buruk daripada yang kita jangkakan - bukan cip pepejal yang menggunakan elektrik, tetapi direndam dalam air.

Baru-baru ini, satu pasukan yang dianggotai oleh Harvard University School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) dan Skrip DNA permulaan berjaya membangunkan pemproses berdasarkan pergerakan ion dalam larutan akueus.

Ahli fizik percaya bahawa peranti sedemikian boleh menjadi langkah seterusnya dalam pengkomputeran yang diilhamkan oleh otak kerana lebih dekat dengan cara otak menghantar maklumat.

"Litar ion dalam larutan akueus menggunakan ion sebagai pembawa cas untuk pemprosesan isyarat," kata penyelidik dalam kertas itu. "Kami mencadangkan litar ion berasaskan air... Litar ion berfungsi yang mampu pengiraan analog ini merupakan satu langkah ke arah ion berasaskan air yang lebih kompleks."

Penyelidikan itu diterbitkan dalam terbitan terkini jurnal sains bahan Advanced Materials.

Kertas: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202205096

Kami tahu bahawa cip daripada telefon pintar ke pelayan awan mengendalikan tugas pengkomputeran dengan memanipulasi elektron melalui semikonduktor pepejal, yang berbeza daripada cara biologi berfungsi.

Bahagian utama penghantaran isyarat di otak ialah pergerakan molekul bercas elektrik yang dipanggil ion dalam medium cecair. Walaupun kuasa pemprosesan otak yang luar biasa sukar untuk ditiru secara buatan, saintis berpendapat komputer boleh menggunakan sistem yang serupa: membawa ion dalam larutan air.

Pendekatan ini akan menjadi lebih perlahan daripada pengkomputeran berasaskan silikon tradisional kerana medium yang diubah, tetapi ia mungkin mempunyai beberapa kelebihan yang menarik. Sebagai contoh, ion boleh dihasilkan daripada pelbagai molekul, masing-masing mempunyai sifat berbeza yang boleh dieksploitasi dengan cara yang berbeza.

Tetapi pertama, saintis perlu membuktikan ia benar-benar berkesan.

Pasukan yang diketuai oleh ahli fizik Universiti Harvard Woo-Bin Jung telah berusaha ke arah ini. Langkah pertama dalam membina komputer adalah untuk mereka bentuk transistor ion berfungsi, peranti yang menukar atau meningkatkan isyarat. Kemajuan terbaru mereka melibatkan menggabungkan beratus-ratus transistor ke dalam litar ionik.

Transistor terdiri daripada susunan elektrod "bulls-eye", dengan elektrod kecil berbentuk cakera di tengah dan dua elektrod berbentuk cincin sepusat mengelilinginya. Ini bersentuhan dengan larutan akueus molekul kuinon. Apabila digunakan, voltan yang dikenakan pada cakera pusat menghasilkan arus ion hidrogen dalam larutan kuinon. Pada masa yang sama, dua elektrod cincin melaraskan pH larutan, dengan itu meningkatkan atau mengurangkan arus ionik.

Cip (kiri), dengan susunan ratusan transistor (kanan) di tengah (tengah).

Kuinon ialah sejenis sebatian organik yang mengandungi struktur sikloheksadiedione terkonjugasi atau sikloheksadienedimetilena Berdasarkan bahan ini Transistor melakukan pendaraban fizikal parameter berat dan cakera voltan yang ditetapkan oleh gating pasangan cincin, menghasilkan jawapan kepada arus ionik

Anda mungkin tahu konsep "komputer biologi", yang merujuk kepada penggunaan Bahan biologi untuk menggantikan. cip semikonduktor dan media storan yang digunakan dalam komputer semasa dianggap sebagai satu lagi hala tuju utama untuk masa depan komputer selain pengkomputeran kuantum. Tetapi banyak kajian terdahulu telah memberi tumpuan kepada diod dan transistor ion individu, dan bukannya litar yang mengandungi banyak peranti sedemikian.

Rangkaian neural semasa yang memerlukan kuasa pengkomputeran yang sangat tinggi sangat bergantung pada operasi pendaraban matriks, yang melibatkan berbilang pendaraban. Oleh itu, pasukan itu mereka bentuk susunan transistor 16-kali-16, masing-masing mampu pendaraban, untuk menghasilkan litar ionik yang boleh melakukan pendaraban matriks. Ia dilaksanakan pada permukaan dan dikendalikan oleh cip elektronik semikonduktor logam-oksida (CMOS) pelengkap.

Para penyelidik menunjukkan kegunaan litar ion skala tatasusunan ini dengan melakukan operasi fizikal atau simulasi berganda-terkumpul (MAC). Operasi MAC analog berdasarkan fenomena fizikal - Berbeza dengan operasi MAC digital berdasarkan banyak get logik digital dan algebra Boolean, kaedah baharu membawa arah ke arah mengurangkan penggunaan kuasa rangkaian saraf tiruan.

Skema transistor ion.

Oleh kerana setiap konduktans titik silang bertindak sebagai berat sinaptik dalam rangkaian, voltan input yang dimasukkan ke dalam baris tatasusunan didarab dengan berat mengikut hukum Ohm dan dikira mengikut asas undang-undang Erhoff mengumpul arus yang terhasil dalam setiap lajur. Oleh itu, setiap arus lajur dihasilkan secara fizikal sebagai produk titik antara vektor data input dan vektor berat sinaptik lajur.

Dalam setiap transistor ion, arus Iout voltan terpakai Vin berpagar oleh Ig, kita boleh mencari kawasan Vin di mana Iout = W × Vin, pemalar kekadaran atau berat W boleh dilaraskan oleh Ig, iaitu kawasan di mana transistor ion secara fizikal mendarab antara berat dan voltan masukan.

Darab dan kumpulkan operasi.

「Pendaraban matriks ialah pengiraan yang paling biasa digunakan dalam rangkaian neural kecerdasan buatan, dan litar ionik kami melakukan pendaraban matriks dalam air dalam simulasi elektrokimia-mekanikal sepenuhnya. ”, kata Woo-Bin Jung.

Sudah tentu, teknologi ini pada masa ini mempunyai had yang ketara, termasuk hakikat bahawa operasi mesti dilakukan secara berurutan dan bukannya serentak, yang sangat melambatkan kaedah.

Walau bagaimanapun, pasukan penyelidik percaya bahawa langkah seterusnya bukanlah untuk meningkatkan kelajuan, tetapi untuk memperkenalkan julat molekul yang lebih luas ke dalam sistem. Setakat ini, pasukan itu hanya menggunakan tiga atau empat spesies ionik untuk mencapai gating dan pengangkutan ion dalam transistor ion akueus, seperti ion hidrogen dan kuinon. Penyelidikan ini cuba melengkapkan pengiraan ion yang lebih kompleks dan membiarkan litar memproses maklumat yang lebih kompleks.

Pasukan penyelidik menegaskan: Matlamat utama penyelidikan ini bukanlah untuk menggunakan teknologi ion untuk bersaing dengan atau menggantikan produk elektronik, tetapi untuk menggunakan teknologi hibrid untuk melengkapkan kekuatan satu sama lain.

Atas ialah kandungan terperinci Adakah hala tuju masa depan pengkomputeran AI 'cip air'?. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!