Niedawno światło nauczyło się zachowywać trochę jak pamięć, a jeszcze wcześniej pojawiały się urządzenia łączące kilka funkcji klasycznej elektroniki w pojedynczym elemencie. Teraz MIT dorzuciło do tej układanki coś jeszcze dziwniejszego. Tym razem informację zapamiętuje bowiem nie układ pamięci, lecz… fizyczne odkształcenie materiału.
MIT zrobiło sztuczny neuron z warstwy materiału o grubości około 2 nm
Na pierwszy rzut oka brzmi to jak kolejna laboratoryjna ciekawostka, ale pomysł zespołu z Massachusetts Institute of Technology jest interesujący właśnie przez swoją prostotę. Naukowcy stworzyli nanomechaniczne urządzenie składające się z dwóch metalowych elektrod, między którymi umieścili niezwykle cienką warstwę polidimetylosiloksanu, czyli PDMS. Mówimy o warstwie mającej około 2 nm grubości.
Czytaj też: Komputer z DNA nie potrzebuje kabli ani zasilania. Sensacyjna technologia pokazuje przyszłość obliczeń
PDMS nie jest tutaj zwyczajnym izolatorem. Jest to materiał lepkosprężysty, więc po ściśnięciu nie wraca natychmiast do pierwotnego kształtu. Potrzebuje na to czasu. Naukowcy wykorzystali właśnie tę pozornie banalną cechę jako formę pamięci. Po przyłożeniu napięcia metalowe elektrody przyciągają się, ściskając znajdujący się między nimi polimer. Zmiana odległości między elektrodami wpływa jednocześnie na przepływ prądu przez urządzenie. Kiedy napięcie znika, PDMS zaczyna powoli wracać do poprzedniego kształtu, a jego aktualny stan zależy od tego, co działo się z nim chwilę wcześniej. Materiał dosłownie zachowuje więc fizyczny ślad historii wcześniejszych bodźców.
Dla mnie właśnie tutaj zaczyna się najciekawsza część tej historii. Nie zapisujemy już bowiem wartości w osobnej komórce pamięci. Nie przesyłamy jej później z pamięci do procesora. Właściwość materiału sama staje się pamięcią.
Trochę jak neuron, tylko bez biologicznego neuronu
Zespół MIT wykorzystał ten efekt do odtworzenia jednego z podstawowych zachowań komórek nerwowych. Biologiczny neuron może stopniowo gromadzić pobudzenie, aż przekroczy określony próg i “wystrzeli” sygnał dalej. Urządzenie MIT robi coś podobnego. Kolejne impulsy napięcia stopniowo zmieniają położenie elektrod i stopień ściśnięcia polimeru. Po przekroczeniu określonego progu układ generuje zaś odpowiedź przypominającą aktywację neuronu, po czym zaczyna wracać do wcześniejszego stanu. W pojedynczym mikroskopijnym elemencie połączono więc mechanizm pamięci i przetwarzania informacji.
Sam kierunek nie pojawił się oczywiście znikąd. Dopiero kilka dni temu pisałem o pamięci asocjacyjnej wykorzystującej memrystory, a wcześniej również o biologicznych tranzystorach zbudowanych z białek. Coraz wyraźniej widać wspólny mianownik tych projektów. Przyszłość obliczeń może nie polegać wyłącznie na zmniejszaniu kolejnych tranzystorów. Równie ważne może być sprawienie, żeby sam materiał wykonywał więcej pracy.
Ośmiornica podpowiedziała, jak projektować komputer przyszłości
Badacze przywołują tutaj ciekawą analogię do ośmiornic. Znaczna część ich neuronów znajduje się w ramionach, dzięki czemu część informacji może być przetwarzana lokalnie zamiast za każdym razem trafiać do jednego centralnego “procesora”. MIT określa tę ideę wręcz jako coś zbliżonego do rozproszonej materii obliczeniowej.
Czytaj też: Człowiek ustanowił rekord, a komputer przebił go w kilka dni. Tak matematyka weszła w nową erę
Takie podejście robi się szczególnie interesujące w robotyce, protezach, czujnikach środowiskowych czy elektronice noszonej. Wyobraźcie sobie bowiem taką sztuczną skórę, która nie przesyła każdego pomiaru nacisku do centralnego procesora, lecz lokalnie wykrywa zmianę, zachowuje jej historię i reaguje dopiero wtedy, kiedy dzieje się coś istotnego. Albo plaster medyczny analizujący sygnały bez ciągłego przepychania ogromnej ilości danych do smartfona czy chmury.
Naukowcy chcą właśnie w tym kierunku rozwijać platformę i połączyć bezpośrednio wykrywanie bodźców, pamięć oraz obliczenia. Potencjalnie ograniczyłoby to liczbę dodatkowych elementów, kondensatorów i połączeń wymaganych przez klasyczne układy.
Procesora w komputerze to nie zastąpi
Oczywiście trzeba jednak ostudzić emocje, bo MIT nie stworzyło właśnie procesora, który za kilka lat trafi do laptopa i zastąpi Ryzena czy Core Ultra. Jest to przede wszystkim demonstracja nowej klasy urządzenia. Samo stwierdzenie o wysokiej efektywności energetycznej wynika obecnie głównie z możliwości wykonywania kilku funkcji przez jeden element oraz ograniczenia przesyłania informacji między oddzielnymi blokami, a nie z jakiegoś benchmarku pokazującego, że nowy układ jest już sto razy oszczędniejszy od współczesnego procesora.
Czytaj też: Przez dekady godziliśmy się na gorące komputery. Ten eksperyment może zmienić ich przyszłość
Uważam jednak, że znacznie ciekawsza od samej wydajności jest zmiana sposobu myślenia. Przez dekady nauczyliśmy się bowiem budować maszyny z ogromnej liczby wyspecjalizowanych elementów. Jeden coś mierzy, drugi zapamiętuje, trzeci liczy. Natura często działa inaczej, wykorzystując właściwości samej materii jako część procesu obliczeniowego. MIT właśnie pokazało, że nawet powolny powrót miękkiego polimeru do poprzedniego kształtu można zamienić w pamięć.
Źródła: MIT News, Science Advances
