أجهزة الحوسبة الفطرية: كيف تُشغّل الفطر الشرائح النيورومورفية

نوع جديد من الحاسوب البيولوجي

Computing was initially developed with analog technology, which differs from digital technology in that it uses more complex (and messy) signals instead of clearly distinct 1 & 0.

المصدر: Unison Audio

عمومًا، الإشارة الرقمية أسهل في التحليل، النسخ، والنقل. لكن الإشارة التناظرية أفضل في التعامل مع تعقيد الوضع الواقعي بكل تفاصيله.

لهذا السبب يبحث العلماء عن تقنيات الحوسبة التناظرية لتطويرات جديدة في الذكاء الاصطناعي، الاستشعار، وتطبيقات أخرى. وهذا يشمل تصاميم متعددة لما يُسمّى بالشرائح النيورومورفية، التي تحاكي طريقة معالجة الدماغ للبيانات.

تطور جديد نحو استخدام القدرة الشبيهة بالدماغ لأداء الحوسبة هو ظهور حواسيب بيولوجية فعلية، تستخدم أنسجة عضوية لأداء المهام التي تُعطى عادةً للرقائق السيليكونية. أحد الأمثلة هو الأعضاء المصغرة، أنسجة مزروعة مختبريًا من خلايا عصبية بشرية، قادرة على أداء مهام الحوسبة. مُدمجةً مع تقنيات جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد للأنسجة الدماغية الوظيفية، قد يفتح ذلك الطريق إلى نوع جديد وغريب تمامًا من قدرات الحوسبة.

نوع آخر من المكونات الإلكترونية التي تستفيد من المكونات البيولوجية يجب إضافته إلى القائمة، حيث قام علماء في جامعة ولاية أوهايو بإنشاء ميمريستورات عضوية نيورومورفية، وهي نوع من معالجات البيانات يمكنها تذكر الحالات الكهربائية السابقة. لكنهم أنشأوها ليس من الخلايا العصبية، بل من الفطر.

نشروا اكتشافهم في المراجعة العلمية PLOS One، تحت عنوان “ميمريستورات مستدامة من خيوط الفطر شيتاكي للإلكترونيات الحيوية عالية التردد”.

لماذا نستخدم الحوسبة النيورومورفية؟

صعود وحدات المعالجة العصبية (NPUs)

Neural Processing Units (NPUs), also called neuromorphic chips, are a type of AI hardware that present a few advantages compared to more traditional chips like CPUs and GPUs:

• تصميم أكثر مرونة، يسمح لهندسة الرقاقة بالتكيف مع بيانات التدريب.
• استهلاك طاقة أقل بكثير، أحيانًا يصل إلى 1/100 من استهلاك GPU مماثل.
• إنتاج حرارة أقل يساعد في التعامل مع مشكلة التبريد المتزايدة التي تعاني منها مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي المتقدمة.

(يمكنك قراءة المزيد عن الأجهزة المتخصصة في الذكاء الاصطناعي، بما في ذلك NPUs، في تقريرنا المخصص.)

“القدرة على تطوير شرائح دقيقة تحاكي النشاط العصبي الفعلي تعني أنك لا تحتاج إلى الكثير من الطاقة في وضع الاستعداد أو عندما لا يُستخدم الجهاز.

هذا شيء يمكن أن يكون ميزة حسابية واقتصادية هائلة.

جون لاروكو – عالم أبحاث في طب الطب النفسي في كلية الطب بجامعة ولاية أوهايو.

العديد من الأساليب تُستكشف حاليًا لإنشاء شرائح نيورومورفية:

• استغلال الفيروكهربيّة الناشئة، وهي ظاهرة لا تزال غير مفهومة جيدًا.
• رواية نشطة باستخدام الفاناديوم أو التيتانيوم.
• استخدام الميمريستورات، نوع جديد من المكونات الإلكترونية، التي يمكنها أداء مهام الذكاء الاصطناعي باستهلاك طاقة يساوي 1/800 من الاستهلاك العادي.

كيف تحاكي الميمريستورات المشابك العصبية

الميمريستورات هي مكونات إلكترونية تحاكي المشابك التي تربط الخلايا العصبية عن طريق تذكر الحالة الكهربائية التي تم تحويلها إليها بعد إيقاف الطاقة.

يمكن لهذا أن يقلل بشكل كبير من الطاقة والوقت المفقودين نتيجة نقل البيانات ذهابًا وإيابًا بين المعالجات والذاكرة.

إحدى النقاط القوية للميمريستورات هي قدرتها على التعلم الفعال والتكيف الذاتي في الموقع، وهو أمر حاسم لتطبيقات الروبوتات والمركبات الذاتية.

علاوة على ذلك، فإن استهلاك الطاقة المنخفض للميمريستورات مفيد بشكل خاص في الروبوتات والمركبات الذاتية، حيث تكون كفاءة الطاقة أمرًا أساسيًا. يمكن للأنظمة الهجينة من الميمريستورات التناظرية-الرقمية تقليل استهلاك الطاقة أثناء المعالجة دون التضحية بالاستجابة.

المشكلة حتى الآن هي أن إنشاء الميمريستورات الإلكترونية يعتمد على تقنيات ناشئة ذات معدلات إنتاج منخفضة وأداء إلكتروني غير موثوق، بسبب حداثة هذه التقنية.

استخدام الخلايا العصبية الفعلية، كما هو الحال مع الأعضاء المصغرة، هو خيار أيضًا، لكن الخلايا العصبية صعبة التعامل معها، فهي هشة نسبيًا وصعب زراعتها.

لكن الخلايا العصبية ليست النسيج البيولوجي الوحيد القادر على معالجة والاستجابة للإشارات الكهربائية.

بديل محتمل هو الخيوط الفطرية (الميسيلوم)، النسيج الذي يشكل الفطر العادي، وهو نوع من الكائنات المعروف بمتانته المذهلة. يمكن زراعته باستخدام مفاعلات حيوية أبسط وثقافات غذائية أقل تعقيدًا مقارنةً بما يتطلبه الزراعة التقليدية للخلايا العصبية والأعضاء المصغرة العصبية.

بناء حواسيب فطرية؟

المواد الفطرية تُظهر مسارات موصلة يمكن أن تتشكل ديناميكيًا تحت تأثير التحفيز الكهربائي، مشابهًا للألياف الموصلة التي تتشكل في الميمريستورات التقليدية.

يمكن لهذه القدرة على التكيف أن تؤدي إلى تحسين الأداء في التطبيقات النيورومورفية من خلال تسهيل حالات المقاومة المتغيرة التي تحاكي سلوكيات المشابك بشكل أقرب من المواد الميمريستورية التقليدية.

المواد العضوية تتمتع أيضًا بميزة العمل بفعالية عند فولتية أقل مع الحفاظ على خصائص التبديل المستقرة المهمة للميمريستورات، حتى أقل من الميمريستورات الإلكترونية، التي هي نفسها أقل استهلاكًا للطاقة مقارنةً بالمكونات الحاسوبية التقليدية.
قد يكون هذا مهمًا للأجهزة ذات الكفاءة الطاقية للأجهزة المحمولة وتطبيقات إنترنت الأشياء التي قد تعتمد على إمداد طاقة منخفض جدًا.
Swipe to scroll →

لماذا تعمل الفطريات الصالحة للأكل في الحوسبة

استخدم الباحثون فطر الزر العادي، بالإضافة إلى فطر شيتاكي الصالح للأكل والدوائي في تجاربهم، وهما نوعان يُعرف زراعتهما جيدًا ورخيص.

أظهر فطر شيتاكي سابقًا أنه يمتلك بنية كربونية مسامية عند تنشيطه. يمكن لهذه البنية المسامية تعزيز الأداء الكهروكيميائي للأجهزة، مما يجعلها مرشحات مناسبة للاستخدام في أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك المكثفات الفائقة، وربما الميمريستورات.

كما أنها مقاومة جدًا للإشعاع، مما قد يساعد في تطبيقات مثل الفضاء، حيث يمكن أن تتضرر الرقائق الإلكترونية من الإشعاع المؤين مثل الأشعة فوق البنفسجية والرياح الشمسية.

الاستجابة الكهربائية للفطريات

قام العلماء بربط كتلة الفطر التجريبية بعد تجفيفها.

المصدر: PLOS One

تم اختبارها بعد ذلك عبر مجموعة من الفولتات، والأشكال الموجية، والترددات لتقييم إمكاناتها كميمريستورات.

أظهر الإشارة التناظرية المستجيبة خصائص ميمريستورية قوية، محاكاةً في التناظرية للإشارة الرقمية.

المصدر: PLOS One

بشكل عام، يبدو أن سرعة التبديل السريعة التي تم رصدها والتي تبلغ 5,850 هرتز، والدقة التي تبلغ 90٪ (± 1٪)، واستهلاك الطاقة المنخفض نسبيًا، والوزن الخفيف، ومقاومة الإشعاع تجعل الميمريستورات الفطرية جذابة لتطبيقات الحوسبة الطرفية، والفضاء، وتطبيقات البرامج الثابتة المدمجة.

مع ذلك، انخفضت الدقة مع زيادة التردد، لذا قد لا يمكن معالجة جميع أنواع الإشارات بهذه الطريقة.

كما يجب الإشارة إلى أن الطريقة تنتج موادًا قابلة للتحلل فقط (فطر شيتاكي الصالح للأغذية يُزرع على رقائق الخشب) ولا تتطلب أي مواد نادرة أو سامة، على عكس الرقائق الإلكترونية التقليدية.

الإمكانات المستقبلية

كانت الدراسة هنا تجربة أولى، وكانت محدودة بطريقتين:

• كانت الاختبارات قصيرة نسبيًا، استمرت فقط شهرين. لذا لا يزال يلزم التحقيق في قدرة الميمريستورات الفطرية على المدى الطويل.
• استخدمت الطريقة إنتاجًا ضخمًا، بينما التطبيقات الفعلية ستحتاج إلى زراعة دقيقة للميسيلوم في بيئة مخصصة، مما يوفر نتائج أصغر حجمًا وأكثر تحكمًا.

لذلك، هذا مجرد إثبات مفهوم، يُظهر أن شيئًا غريبًا مثل الحوسبة الفطرية ممكن وموثوق.

أي تصميم مستقبلي من المحتمل أن يستخدم تقنيات زراعة أكثر اتساقًا باستخدام قوالب وهياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد تشكل فطر شيتاكي إلى الشكل المطلوب.

يمكن أيضًا تسهيل البرمجة بإضافة وصلات كهربائية إلى هيكل الزراعة المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

أخيرًا، سيتطلب الاستخدام طويل الأمد حفظًا، قد يشمل مجموعة من التقنيات، بما في ذلك التجفيف، والتجفيف بالهواء، والتجميد التجفيف، وبعض الهلاميات، والطلاءات الخاصة.

مع ذلك، فكرة تطوير ميمريستورات بمواد عضوية حصريًا، ومادة فطرية مقاومة ورخيصة وقابلة للتحلل، تظل مثيرة للاهتمام.

الاستثمار في الطباعة الحيوية

BICO Group AB (BICO.ST)

مع تقدم الحوسبة القائمة على المواد العضوية، من المرجح أن تصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد للأنسجة الحية أداة تُستخدم بشكل متزايد. أولًا في البحث، ثم في الإنتاج الفعلي للأجهزة التي تستفيد من هذه التقنية.

إحدى الشركات الرائدة في المجال هي Cellink، التي تُستخدم أجهزتها للطباعة الحيوية من قبل الباحثين حول العالم.

المصدر: Cellink

في عام 2021، تم إعادة تسمية Cellink إلى مجموعة BICO، بعد استحواذها على Cytena في 2019 و Scienion في 2020.

Cellink لا يزال اسم العلامة التجارية لجزء الطباعة الحيوية من الأعمال. يمكن أيضًا استخدامه لإنشاء أنسجة أو أعضاء ثلاثية الأبعاد حسب الطلب. (يمكنك قراءة مناقشة حول هذا الموضوع في طباعة ثلاثية الأبعاد للأعضاء البشرية – ما مدى واقعيته؟).

الطباعة الحيوية تمثل حوالي 1/5^th من الأعمال، مع قطاع أتمتة العلوم الحيوية، بما في ذلك تصوير العينات البيولوجية، تحقق أكثر من 3/5^th من الإيرادات.

المصدر: BICO Group AB

على المدى الطويل، من المرجح أن تتطور شركات الطباعة الحيوية من توفير الأدوات للباحثين إلى أن تصبح مورّدين لعلاجات الطباعة الحيوية لشركات الأدوية للمرضى.

سيتسبب ذلك، بدوره، في تغيير كامل لعدد الطابعات الحيوية المستخدمة، والأهم من ذلك، حجم المستهلكات المباعة كل شهر.

هذه هي العملية نفسها التي حدثت لمصنعي معدات المختبرات الحيوية الأخرى، بما في ذلك آلات تسلسل الجينوم من PacBio (PACB) وIllumina (ILMN)، التي تنتهي بتحقيق 80٪ من إيراداتها من مبيعات المستهلكات المتكررة.

نظرًا لأن مجموعة BICO ليست معتمدة بالكامل على هذا المجال، يمكنها الاستمرار في تحسين التقنية حتى تصل إلى كتلة حرجة من المستخدمين، مع تحقيق أرباح وبناء شبكة مبيعاتها مع الباحثين الحيويين من منتجاتها الأخرى الأكثر نضجًا في أتمتة العلوم الحيوية.