Computer Fungini: Come i Funghi Potenziano le Chip Neuromorfiche

Un Nuovo Tipo Di Computer Biologico

Il calcolo è stato inizialmente sviluppato con la tecnologia analogica, che differisce dalla tecnologia digitale in quanto utilizza segnali più complessi (e disordinati) invece di segnali chiaramente distinti 1 e 0.

Source: Unison Audio

In generale, un segnale digitale è più facile da analizzare, replicare e trasmettere. Ma un segnale analogico è migliore nel gestire la complessità di una situazione del mondo reale, con tutte le sue sfumature.

Questo è il motivo per cui gli scienziati hanno iniziato a guardare nuovamente ai tipi di calcolo analogici per nuovi sviluppi nell’IA, nella sensazione e in altre applicazioni. Ciò include molti progetti diversi di cosiddette chip neuromorfici, che imitano il modo in cui il cervello elabora i dati.

Un nuovo sviluppo verso l’utilizzo di capacità simili al cervello per eseguire calcoli è l’apparizione di computer biologici reali, che utilizzano tessuti organici per eseguire compiti normalmente assegnati a chip di silicio. Un esempio è organoidi, tessuti cresciuti in laboratorio prodotti da neuroni umani, in grado di eseguire compiti di calcolo. In combinazione con nuove tecniche per la stampa 3D di tessuti cerebrali funzionali, ciò potrebbe aprire la strada a un intero nuovo tipo di capacità di calcolo strane.

Un altro tipo di componente elettronico che sfrutta componenti biologici dovrebbe essere aggiunto all’elenco, con scienziati dell’Università statale dell’Ohio che hanno creato memristori organici neuromorfici, un tipo di processore di dati che può ricordare gli stati elettrici passati. Tranne che non li hanno creati a partire da neuroni, ma da funghi.

Hanno pubblicato la loro scoperta nella rivista scientifica PLOS One, con il titolo “Memristori sostenibili da micelio di shiitake per bioelettronica ad alta frequenza“.

Perché Utilizzare Il Calcolo Neuromorfico?

Ascesa Degli NPU

Le unità di elaborazione neurale (NPU), anche chiamate chip neuromorfici, sono un tipo di hardware di intelligenza artificiale che presentano alcuni vantaggi rispetto ai chip tradizionali come CPU e GPU:

• Progettazione più flessibile, che consente all’architettura del chip di adattarsi ai dati di formazione.
• Consumo energetico molto inferiore, a volte fino a 1/100 del consumo di un GPU comparabile.
• La ridotta produzione di calore aiuta a gestire il crescente problema di raffreddamento che affligge i data center di intelligenza artificiale avanzata.

(Puoi leggere di più sull’hardware specializzato per l’IA, compresi gli NPU, nel nostro rapporto dedicato.)

“Essere in grado di sviluppare microchip che imitano l’attività neurale reale significa che non è necessario molto potere per la modalità di attesa o quando la macchina non è in uso.

Questo è qualcosa che può essere un enorme potenziale vantaggio computazionale ed economico.”

John LaRocco – ricercatore scientifico in psichiatria presso la Facoltà di Medicina dell’Ohio State.

Molti metodi sono attualmente in esplorazione per la creazione di chip neuromorfici:

• Sfruttare la ferroelettricità incipiente, un fenomeno ancora poco compreso.
• Substrato attivo utilizzando vanadio o titanio.
• Utilizzo di memristori, un nuovo tipo di componente elettronico, che può eseguire compiti di intelligenza artificiale al 1/800 del consumo di potenza normale.

Come I Memristori Imitano Le Sinapsi

I memristori sono componenti elettronici che imitano le sinapsi che collegano i neuroni ricordando quale stato elettrico sono stati commutati dopo che la loro alimentazione è stata spenta.

Ciò può ridurre notevolmente l’energia e il tempo persi nel trasferire i dati avanti e indietro tra i processori e la memoria.

Una delle principali forze dei memristori è la loro capacità di apprendimento efficiente e auto-adattivo in situ, che è critico per le applicazioni in robotica e veicoli autonomi.

Inoltre, il basso consumo di potenza dei memristori è particolarmente benefico nella robotica e nei veicoli autonomi, dove l’efficienza energetica è fondamentale. I sistemi ibridi analogico-digitale dei memristori possono minimizzare l’utilizzo della potenza durante l’elaborazione senza sacrificare la risposta.

Il problema finora è che la creazione di memristori elettronici ha fatto affidamento su tecnologie emergenti con bassi rendimenti di produzione e prestazioni elettroniche instabili, a causa della novità di questa tecnologia.

Utilizzare neuroni reali, come con gli organoidi, è anche un’opzione, ma i neuroni sono effettivamente cellule molto difficili da lavorare, essendo relativamente fragili e difficili da crescere.

Ma i neuroni non sono l’unico tessuto biologico in grado di elaborare e rispondere a segnali elettrici.

Un’alternativa potenziale è il micelio, il tessuto costituito da funghi comuni, un tipo di organismo noto per la sua notevole robustezza. Possono essere coltivati con bioreattori e culture nutrienti più semplici di quelli richiesti per neuroni e organoidi neurali convenzionali.

Costruire Computer a Funghi?

I materiali fungini presentano percorsi conduttivi che possono formarsi dinamicamente sotto l’influenza di stimoli elettrici, simili ai filamenti conduttivi formati in memristori convenzionali.

Questa adattabilità può portare a prestazioni migliorate nelle applicazioni neuromorfiche attraverso la facilitazione di stati di resistenza variabili che imitano i comportamenti sinaptici più da vicino dei materiali memristivi tradizionali.

I materiali organici hanno anche il vantaggio di funzionare efficacemente a tensioni più basse, mantenendo le caratteristiche di commutazione stabile importanti per i memristori, anche più basse di quelle per i memristori elettronici, già molto meno energivori dei componenti di calcolo tradizionali.

Ciò potrebbe essere importante per dispositivi efficienti dal punto di vista energetico per elettronica portatile e applicazioni Internet delle cose che potrebbero fare affidamento su un’alimentazione molto bassa.
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Perché I Funghi Commestibili Funzionano per il Calcolo

I ricercatori hanno utilizzato funghi comuni, nonché funghi shiitake commestibili e medicinali per i loro esperimenti, entrambe le specie il cui allevamento è ben compreso e a buon mercato.

I funghi shiitake sono già stati dimostrati possedere una struttura di carbonio porosa quando attivati. Questa struttura porosa può migliorare le prestazioni elettrochimiche dei dispositivi, rendendoli candidati adatti per l’uso in sistemi di accumulo di energia, inclusi supercondensatori e, potenzialmente, memristori.

Sono anche molto resistenti alle radiazioni, il che potrebbe aiutare per applicazioni come l’aerospaziale, dove i chip elettronici possono essere danneggiati dalle radiazioni ionizzanti come UV e venti solari.

Risposta Elettrica dei Funghi

Gli scienziati hanno collegato la massa fungina di prova dopo che era stata disidratata.

Source: PLOS One

Sono stati quindi testati su una gamma di tensioni, forme d’onda e frequenze per le loro potenziali capacità di memristore.

Il segnale analogico di risposta ha mostrato forti caratteristiche memristive, imitando in analogico il segnale digitale.

Source: PLOS One

Nel complesso, la velocità di commutazione rapida osservata di 5.850 Hz, una precisione del 90% (± 1%), un consumo di energia relativamente basso, leggerezza e resistenza alle radiazioni sembrano rendere i memristori fungini attraenti per applicazioni di calcolo edge, aerospaziale e firmware incorporato.

Tuttavia, la precisione è diminuita al aumentare della frequenza, quindi non tutti i tipi di segnali potrebbero essere elaborati / calcolati con questo metodo.

Dovrebbe anche essere notato che il metodo crea solo materiali biodegradabili (shiitake commestibile cresciuto su chips di legno) e non richiede materiali rari o tossici, a differenza dei chip elettronici convenzionali.

Potenziale Futuro

Lo studio qui è stato un primo tentativo e si è limitato in due modi:

• I test sono stati relativamente brevi, eseguiti nel corso di soli 2 mesi. Quindi la capacità a lungo termine dei memristori fungini deve ancora essere indagata.
• Il metodo ha utilizzato una produzione in blocco, mentre le applicazioni reali avrebbero bisogno di una microcoltura del micelio cresciuto in un ambiente dedicato, fornendo risultati molto più piccoli e più controllati.

Quindi questo è solo un concetto di prova, una dimostrazione che qualcosa di esotico come il calcolo fungino è anche possibile e affidabile.

Qualsiasi progetto futuro vedrà probabilmente l’uso di tecniche di coltivazione più coerenti utilizzando modelli e strutture stampate in 3D che danno forma al fungo shiitake nella geometria desiderata.

La programmazione potrebbe anche essere facilitata aggiungendo contatti elettrici a una struttura di coltivazione stampata in 3D.

Infine, l’uso a lungo termine richiederà la conservazione, che potrebbe coinvolgere una varietà di tecniche, tra cui disidratazione, essiccazione, liofilizzazione, idrogel particolari e rivestimenti speciali.

Tuttavia, l’idea di sviluppare memristori con materiali organici esclusivi e resistenti, economici e biodegradabili come il materiale del fungo, è intrigante.

Investire nella Stampazione 3D Biologica

BICO Group AB (BICO.ST)

Mentre il calcolo basato su materiali organici progredisce, la stampa 3D di tessuti viventi probabilmente diventerà uno strumento sempre più utilizzato. Prima nella ricerca e poi per la produzione reale di dispositivi che sfruttano questa tecnologia.

Un leader in questo campo è stato Cellink, le cui macchine sono utilizzate per la stampa 3D biologica da ricercatori di tutto il mondo.

Source: Cellink

Nel 2021, Cellink è stato ribattezzato come BICO Group, dopo l’acquisizione di Cytena nel 2019 e Scienion nel 2020.

Cellink è ancora il nome del marchio per la parte della stampa 3D biologica dell’attività. Ciò potrebbe anche essere utilizzato per la creazione di tessuti o organi su misura in 3D. (Puoi leggere una discussione su questo argomento in “Stampa 3D di Organi Umani – Quanto è Realistico?”).

La stampa 3D biologica rappresenta circa 1/5 del business, con il settore dell’automazione della bioscienza, compresa l’immagine di campioni biologici, che rappresenta più di 3/5 dei ricavi.

Source: BICO Group AB

Nel lungo termine, le aziende di stampa 3D biologica probabilmente evolveranno da fornitori di strumenti per ricercatori a fornitori di terapie di stampa 3D biologica per le aziende farmaceutiche.

Ciò cambierà a sua volta il numero di stampanti 3D biologiche in uso e, più importante, il volume di consumabili venduti ogni mese.

Questo è lo stesso processo che si è verificato per altri produttori di attrezzature per laboratori biologici, tra cui le macchine di sequenziamento del genoma di PacBio (PACB) e Illumina (ILMN), che finiscono per fare l’80% dei loro ricavi dalle vendite ricorrenti di consumabili.

Poiché il BICO Group non dipende solo da questo settore, può continuare a migliorare la tecnologia fino a quando non raggiunge una massa critica di utenti, mentre guadagna denaro e costruisce la sua rete di vendita con biocercatori provenienti dai suoi altri prodotti più maturi nell’automazione della bioscienza.