Κυκλώματα βασισμένα στο νερό φέρνουν «επανάσταση» στον κόσμο των υπολογιστών

11:58 14/10/2022 - Πηγή: Dikaiologitika

Μία ομάδα φυσικών, αντλώντας έμπνευση από τη Βιολογία, δημιούργησαν ένα κύκλωμα που βασίζεται στην κίνηση ιόντων μέσα σε ένα υδάτινο διάλυμα, αντί ηλεκτρονίων μέσα σε ημιαγωγούς, όπως συμβαίνει στα συμβατικά ηλεκτρικά κυκλώματα.

Δεδομένου ότι με αυτόν τον τρόπο μεταφέρει πληροφορίες ο εγκέφαλος, μια ομάδα με επικεφαλής τον φυσικό Woo-Bin Jung από το Harvard.πιστεύει πως αυτό ίσως είναι το επόμενο βήμα προς τους νευρομορφικούς υπολογιστές, δηλαδή υπολογιστές που μιμούνται τον τρόπο λειτουργίας του εγκεφάλου.

Tα υδάτινα ιοντικά κυκλώματα χρησιμοποιούν ιόντα ως φορείς για την επεξεργασία σημάτων και η πειραματική ένδειξη λειτουργίας τέτοιων κυκλωμάτων που μπορούν να πραγματοποιήσουν αναλογικούς υπολογισμούς είναι το πρώτο βήμα για πιο πολύπλοκα υδάτινα ιοντικά κυκλώματα.

O εγκέφαλος υποστηρίζει τις πολύπλοκες λειτουργίες του κυρίως με τη μεταφορά ιόντων μέσα σε ένα υγρό μέσο, όπως είναι η αντλία νατρίου καλίου. Προφανώς και είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθεί η τεράστια επεξεργαστική ισχύς του εγκεφάλου, ωστόσο, πολλοί επιστήμονες θεωρούν πως μπορούν να αξιοποιήσουν ένα αντίστοιχο σύστημα μεταφοράς ιόντων μέσα σε υδάτινα διαλύματα για την εκτέλεση υπολογισμών.

Αυτή, βέβαια, φαίνεται πως θα είναι μία πιο αργή διαδικασία συγκριτικά με τα κλασικά κυκλώματα ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται σήμερα, μιας και τα ιόντα κινούνται πιο αργά στο νερό από ότι τα ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς. Στα ιοντικά όμως κυκλώματα μπορούν να αξιοποιηθεί μια πληθώρα ιόντων με διαφορετικές ιδιότητες ταυτόχρονα, για διαφορετικούς σκοπούς, σε αντίθεση με τα συμβατικά κυκλώματα ημιαγωγών όπου χρησιμοποιούνται μόνο ηλεκτρόνια και οπές. Και αυτό αποτελεί ένα βασικό πλεονέκτημα.

Ένα τσιπ CMOS (αριστερά) με μια διάταξη (κέντρο) από εκατοντάδες μεμονωμένα ιοντικά τρανζίστορ (δεξιά). (Credits: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)

Η πειραματική υλοποίηση ενός τέτοιου κυκλώματος απασχολεί την ομάδα του Jung εδώ και αρκετό καιρό. Προηγούμενη έρευνα του είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή ενός νέου είδους ιοντικού τρανζίστορ. Το τρανζίστορ είναι μια συσκευή που μπορεί να λειτουργήσει σαν διακόπτης ή σαν ενισχυτής ενός σήματος. Ενδεικτικά οι επεξεργαστές στους σύγχρονους υπολογιστές περιλαμβάνουν δισεκατομμύρια τρανζίστορ.

Ενώ στα συμβατικά κυκλώματα η φυσική των ημιαγωγών αξιοποιείται για την καθοδήγηση των ηλεκτρονίων με συγκεκριμένο τρόπο, το ιοντικό τρανζίστορ μπορεί να ελέγχει ηλεκτροχημικά το pH τοπικά. «Έχουμε συνηθίσει να χρησιμοποιούμε το pH ως ένα μέτρο του πόσο όξινο ή βασικό είναι ένα διάλυμα και εν γένει γνωρίζουμε πως ένα διάλυμα έχει το ίδιο pH σε κάθε σημείο του. Αυστηρά όμως το pH καθορίζεται από τη συγκέντρωση πρωτονίων (ιόντων υδρογόνου) και, μάλιστα, για να λειτουργήσει το συγκεκριμένο τρανζίστορ, απαιτείται ο τοπικός έλεγχός του», παρεμβαίνει ο Υποψήφιος Διδάκτωρ του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ, Βασίλης Παπανικολάου.

Ο ίδιος εξηγεί πως το ιοντικό τρανζίστορ αποτελείται από δύο ομόκεντρα κυκλικά ηλεκτρόδια και ένα κεντρικό ηλεκτρόδιο με τη μορφή δίσκου μέσα σε ένα διάλυμα που αποτελείται από μόρια μιας οργανικής ένωσης που ονομάζεται quinone (κινόνη). Η συσκευή λειτουργεί με την παραγωγή ιόντων υδρογόνου γύρω από το κεντρικό ηλεκτρόδιο, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει ένα ιοντικό ρεύμα ανάλογα με το τοπικό pH. Τα κυκλικά ηλεκτρόδια στη συνέχεια μπορούν τοπικά να διαμορφώσουν το pH στην πύλη και έτσι να αυξήσουν ή να μειώσουν το ιοντικό ρεύμα. Με αυτόν τον τρόπο το pH του διαλύματος χρησιμοποιείται ως πύλη του τρανζίστορ.

Η ερευνητική ομάδα του Jung αξιοποιώντας αυτήν την τεχνολογία κατασκεύασε ένα ιοντικό κύκλωμα που μπορεί να διενεργεί πολλαπλασιασμούς πινάκων, μία πράξη ιδιαίτερα συνήθη και χρήσιμη στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Ο ίδιος δηλώνει πως το κύκλωμά τους μπορεί να υλοποιήσει τον πολλαπλασιασμό πινάκων στο νερό με αναλογικό τρόπο, βασισμένο πλήρως σε ηλεκτροχημικές τεχνικές.

Φυσικά, σε αυτή τη φάση της υλοποίησης υπάρχουν προβλήματα με πρώτο το ότι τα ιοντικά ρεύματα που παράγονται από τα τρανζίστορ δεν μπορούν να διαφοροποιηθούν και έτσι οι υπολογισμοί δεν μπορούν να γίνουν παράλληλα, αλλά σειριακά, κάτι που αυξάνει σημαντικά το υπολογιστικό χρόνο μίας ήδη αργής τεχνολογίας.

Στη φωτογραφία ένα ιοντικό κύκλωμα που περιλαμβάνει εκατοντάδες ιοντικά τρανζίστορ (Credits: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)

Αλλά και μόνο η κατασκευή ενός τέτοιου κυκλώματος, είναι από μόνη της μια μεγάλη επιτυχία και η βελτίωσή της είναι θέμα χρόνου. Η ερευνητική ομάδα πιστεύει πως η ανάπτυξη της τεχνολογίας των ιοντικών κυκλωμάτων μπορεί να δώσει καινοτόμες λύσεις όσον αφορά το θέμα της ενεργειακής αποδοτικότητας των υπολογιστών στο μέλλον. Ο Jung αναφέρει πως μέχρι τώρα έχουν αξιοποιήσει μόνο 3 ή 4 είδη ιόντων και πως θα έχει πολύ μεγάλο ενδιαφέρον να δουν τον συνδυασμό ακόμη περισσότερων ειδών ιόντων για την επεξεργασία πληροφοριών. Σύμφωνα με τον ίδιο, ο στόχος δεν είναι ο ανταγωνισμός με την κυρίαρχη τεχνολογία των ηλεκτρονικών, άλλα ο πιθανός συνδυασμός των δύο σαν μία υβριδική τεχνολογία με τα πλεονεκτήματα και τις δυνατότητες και των δύο κόσμων.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Advanced Materials

#ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ #ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ