Ionski procesori koji se temelje na vodi

Mikroprocesori u pametnim telefonima, računalima i podatkovnim centrima obrađuju informacije manipulirajući elektronima kroz čvrste poluvodiče, ali naši mozgovi imaju drugačiji sustav. Za obradu informacija oslanjaju se na manipulaciju ionima u tekućini.

Inspirirani mozgom, istraživači su dugo pokušavali razviti "ionski" čip u vodenoj otopini. Dok se ioni u vodi kreću sporije od elektrona u poluvodičima, znanstvenici misle da bi se raznolikost ionskih vrsta s različitim fizičkim i kemijskim svojstvima mogla iskoristiti za bogatiju i raznovrsniju obradu informacija.

Ionsko računalstvo je, međutim, još uvijek u ranim danima. Do danas su laboratoriji razvili samo pojedinačne ionske uređaje kao što su ionske diode i tranzistori, ali nitko do sada nije spojio mnogo takvih uređaja u složeniji sklop.

Tim istraživača s Harvardske škole inženjerstva i primijenjenih znanosti John A. Paulson (SEAS), u suradnji s biotehnološkom startupom DNA Script, razvio je ionski krug koji se sastoji od stotina ionskih tranzistora. Čak su izveli i temeljni proces računalstva neuronske mreže unutar njega.

Dizajn ionskih procesora ima za cilj prenijeti znanja iz bioloških sustava za obradu informacija, posebice mozga, kako bi se stvorili procesori koji za izvođenje izračuna koriste elektrokemiju umjesto električne energije. Istraživanje oslikava ionske procesore kao vjerojatnu tehnologiju koja će se razvijati i skalirati prema budućnosti, gdje bi njihovi energetski učinkoviti dizajni mogli biti vrijedni za određene scenarije implementacije.

Istraživači su izradili prvu tiskanu pločicu koja je zapravo sadržavala stotine ionskih tranzistora, čime se utire put ka stvaranju stvarnih procesora s tisućama ili čak milijunima ionskih tranzistora koji rade zajedno u jednom sklopu.

Pokretanjem napona kroz tranzistor, dvije koncentrične prstenaste elektrode mogu lokalno podešavati pH vode povećanjem ili smanjenjem količine vodikovih iona prisutnih u njoj. Ovo omogućuje korištenje ionske struje tranzistora kao prekidača za uključivanje i isključivanje poznatog kao vrata (gate) u tranzistorima. To usmjeravanje ionske struje kroz promjene pH vrijednosti tranzistora otključava sposobnost tranzistora da obrađuju binarne informacije.

Istraživači su dodatno podesili svoj dizajn mikroprocesora, smjestivši te analogne tranzistore (koji mogu predstavljati 0 ili 1) u 16 x 16 matrični mrežni niz. To je ionskom procesoru omogućilo obavljanje zadataka množenja matrica, približavajući ga mogućnostima neuronske mreže i povećavajući njegovu vrijednost za scenarije obrade umjetne inteligencije koji mogu zahtijevati vrlo specifične zahtjeve performansi/balansa snage. 

"Množenje matrica najrašireniji je izračun u neuronskim mrežama za umjetnu inteligenciju", rekao je Woo-Bin Jung, postdoktorand na SEAS-u i prvi autor rada. "Naš ionski krug izvodi množenje matrice u vodi na analogni način koji se u potpunosti temelji na elektrokemijskim strojevima."

Istraživači se sada nadaju da će nastaviti razvijati svoje ionske procesore dopuštajući im da iskoriste veći broj elektrokemijskih reakcija, kao što je povećanje tipova iona kojima se manipulira za obradu informacija.

To bi u kombinaciji s povećanjem broja dostupnih tranzistora, trebalo omogućiti bolje performanse i ionske procesore osposobiti za više različitih zadataka u računalstvu.