מחשבים שניתן להגדיר מחדש שעובדים כמו המוח שלך

מהנדסים מהמכון ההודי למדע חשפו לאחר שבב מחשב מהדור הבא המסוגל לעבור בין מספר משימות חישוביות פשוט על ידי שינוי ההרכב הכימי שלו. העיצוב החדש שואב השראה מהמוח האנושי, ופותח את הדלת למערכות בינה מלאכותית עתידיות שלא רק לומדות אלא מגיעות עם ידע מוטמע. הנה מה שצריך לדעת.

פתיחת עתיד המחשוב דורשת חשיבה מחוץ לקופסה. כשהשבבים מגיעים לגבול התאורטי של עיצובם, יש להגדיר גישות חדשות כדי להמשיך לדחוף את כוח החישוב קדימה.

ייצור שבבים

כשמדובר בפיתוח שבבים מהירים וקטנים יותר להנעת מכשירים אלקטרוניים מהדור הבא, סיליקון נחשב לאפשרות המובילה. המוליך למחצה השופע והזול הזה מספק ניידות נושאים מקובלת, המאפשרת לו לפעול גם כמבודד וגם כמוליך כאשר הוא משולב עם חומרים אחרים ומופעל זרם.

בנוסף, סיליקון מחומצן (סיליקה) יכול לצמוח בשכבות דקות התומכות בעיצובי מעגלים מרובי שכבות. יכולת זו הפכה אותו לאידיאלי לשימוש באלקטרוניקה המיקרו והננו של ימינו. עם זאת, יש כמה חסרונות רציניים לחומר זה.

עיבוד סיליקון יכול להיות מסוכן לסביבה בשל הכימיקלים המעורבים. בנוסף, הוא מוגבל ביכולתו לארח אלקטרוניקת ננו. התקנים עם אורך שער מתחת ל-7 ננומטר יכולים לחוות הרבה הפרעות. הפרעות אלו יכולות להתרחש מסיבות רבות, כולל דליפת אות ומינהור קוונטי.

ננו-אלקטרוניקה

ננו-אלקטרוניקה היא השלב הבא במיזעור. התקנים אלה, שגודלם מתחת ל-100 ננומטר, כל כך קטנים שהם פגיעים יותר למכניקת קוונטים מאשר לפיזיקה מסורתית. אינטראקציות אלו יכולות לגרום לשינויים בממשק ותגובות לא ליניאריות אחרות בשל המורכבות של הפעלה בקנה מידה זה.

מחשוב נוירומורפי

כשמכווצים מעגל לקנה מידה ננומטרי, הופך להיות קשה מאוד להסתמך על תהליכים מכניים לביצוע משימות. ככזה, מהנדסים פנו לאפשרויות מחשוב נוירומורפי לאחסון מידע וביצוע חישובים. התקנים אלה מבוססים על המוח שלך.

מחשבים נוירומורפיים משתמשים בחומרים תחמוצתיים ומתגים דמויי סיבים כדי להשלים משימות חישוביות. מבנה זה פשוט מכווץ את הגישה הנוכחית למחשוב כדי לחקות למידה. אסטרטגיה זו שונה מיצירת התקן שבאופן טבעי מגיע עם הנתונים כחלק מהמבנה הטבעי שלו.

כתוצאה מכך, מדענים השקיעו מאמצים רבים ביצירת חומר מתקדם שהיה מסוגל לאחסן, לחשב ולהסתגל לנתונים מבלי לשנות את פני השטח הפיזיים שלו. עם זאת, המורכבויות של יצירת מבנה כזה חמקו מגילוי.

אלקטרוניקה מולקולרית

הרצון הזה ליצור מכונות קטנות עוד יותר עם יותר גמישות הוביל מהנדסי אלקטרוניקה מולקולרית לנסות ולתעד אינטראקציות אטומיות ופעולות קוונטיות עם המטרה הסופית להיות מסוגלים לחזות תוצאות אלו בדיוק רב.

עם זאת, משימה זו נראתה בלתי אפשרית. זה היה עד החודש, כאשר צוות של מדענים פרסם מחקר פורץ דרך שהדגים כיצד הם הצליחו לחזות ולשלוט בפעולות אלו באופן אמין.

מחקר על מחשבים שניתן להגדיר מחדש

מהנדסים ומדענים במרכז למדע והנדסת ננו (CeNSE) בהודו רק שיכתבו את ספר האלקטרוניקה המולקולרית עם המחקר “Molecularly Engineered Memristors for Reconfigurable Neuromorphic Functionalities¹”.

מקור – Advanced Materials

המאמר מאגד התקדמויות אחרונות בהנדסה חשמלית, כימית ופיזית כדי ליצור התקנים בקנה מידה ננומטרי שיכולים להתאים את ההרכב הכימי שלהם כדי לשרת מספר תפקידים, כולל כיחידות זיכרון, שערים לוגיים, מעבדים, או סינפסות אלקטרוניות.

התקנים מולקולריים מתאימים עצמם

הצלחת המחקר עוזרת להדגים כיצד כימיה יכולה לעשות יותר מאשר לתמוך בפעילויות חישוביות – היא יכולה לספק אותן. כמו כן, יכולת התאמה זו מאפשרת לאותו התקן לתפקד גם כיחידת הזיכרון וגם כיחידה החישובית מבלי להוסיף חומר או לשנות את צורתו הפיזית.

מסגרת חיזוי

אחד הצעדים הראשונים שהמהנדסים היו צריכים לנקוט היה ליצור דרך לחזות כיצד השינויים הכימיים ישפיעו על הולכה חשמלית. באופן ספציפי, הם פיתחו אלגוריתם מודל כימי קוונטי שיכול לעקוב במדויק אחר מולקולות בזמן שהן נעות דרך הסרט.

האלגוריתם כלל הרבה נתונים רלוונטיים אחרים, כולל כיצד חמצון וחיזור השפיעו על כל מולקולה וכיצד הן אינטראקצו ביחס למטריצה המולקולרית הכוללת. נתונים אלו שימשו לאחר מכן לקביעת היציבות הכוללת של המולקולות, תוך רישום כל שינויי נגד-יונים בזמן אמת.

המהנדסים, חמושים באלגוריתם החיזוי שלהם, החלו להשתמש בהתנהגות ההחלפה כדי לחזות כיצד להפוך התקן בודד מאחסון, פעילויות חישוביות ועוד. האלגוריתם מאפשר למהנדסים לכוונן במדויק את הסביבה המולקולרית המקומית ואת האינטראקציות הבין-מולקולריות באמצעות קומפלקסים אורגניים של רותניום.

תגובות ממיסטיביות

באמצעות האלגוריתם להכוונת מאמציהם, הצוות הצליח לווסת תוכניתית מעגל בודד. באופן מרשים, הם הצליחו להשיג מספר מצבים, כולל זיכרון דיגיטלי, אנלוגי, בינארי וטרנרי.

כדי לבצע משימה זו, הם היו צריכים להתאים את הליגנדים והיונים המקיפים את מולקולות הרותניום. יכולת התאמה זו הורחבה לכלול ערכי מוליכות שונים שמגדירים מחדש באופן דינמי את יכולות ההתקן המוצק.

החלק לגלילה →

בדיקת מחשבים שניתן להגדיר מחדש

כדי לבדוק את התאוריה שלהם, מדענים היו צריכים ליצור קומפלקסים מותאמי מטרה של רותניום. הם בנו בהצלחה 17 עבור מחקר זה, מה שאפשר להם לעקוב אחר שינויים זעירים בתצורת המולקולה וההגדרות היוניות.

ייצור ההתקן הובל על ידי Pallavi Gaur. Gaur דיווחה שההתקן היה מסוגל לעבור בין אחסון, חישוב והגדרה מחדש ללא שינויים בחומר. יכולת זו מקרבת התקן זה הרבה יותר לאופן שבו המוח שלך פועל, ומקדמת את מדע המחשוב הנוירומורפי קדימה.

תוצאות בדיקת מחשבים שניתן להגדיר מחדש

תוצאות הבדיקה אישרו את התאוריה של המהנדסים שאפשר לשלב זיכרון וחישוב בתוך אותו חומר. זה גם הדגים כיצד ניתן להשתמש בכימיה כדי לבצע חישובים ולא רק כדי להשלים את הרכיבים הפעילים של התקן. כתוצאה מכך, עבודה זו מאגדת טכנולוגיות ננו-מחשוב והנדסה כימית כדי לפתוח את הדלת להתקנים קוונטיים קטנים וחזקים יותר.

יתרונות של מחשבים שניתן להגדיר מחדש

יש מספר יתרונות שמחקר המחשבים הניתנים להגדרה מחדש מביא לשוק. ראשית, הוא פותח את הדלת לאלקטרוניקה בקנה מידה ננומטרי בקנה מידה חדש. בעבר, התקנים אלה יכלו להיווצר כל כך קטנים רק לפני שכל האמינות אבדה. העובדה שהיו להם חלקים נעים הפכה את זה לבלתי אפשרי לקבוע את יכולת הפעולה שלהם בקנה מידה ננומטרי.

גישה חדשה זו מאפשרת להתקן מוצק לבצע מספר משימות חישוביות, כגון לפעול כאלמנט זיכרון, שער לוגי, בורר, מעבד אנלוגי, או סינפסה אלקטרונית. גמישות זו תעזור למהנדסים עתידיים לעצב התקנים בעלי יכולת גבוהה יותר וקלים יותר.

פחות הפרעות

מבנה זה גם מפחית הפרעות הנגרמות ממינהור קוונטי ובעיות אחרות כאשר דנים בהתקנים בקנה מידה מולקולרי. ככל שההתקן קטן יותר, כך הפרעות ממקורות חיצוניים יכולות להשפיע עליו יותר. כשמשלבים עובדה זו עם מיזעור ההתקנים, קל לראות מדוע גישה זו נחשבת לשינוי משחק על ידי רוב האנשים.

מוליכות נוספת

יתרון מרכזי נוסף הוא מוליכות נוספת. סיליקון טהור אינו מוליך או מבודד מעולים. ככזה, הוא דורש תוספות וכימיקלים אחרים שיעורבבו בו כדי לשפר ביצועים. עיצוב חדש זה מספק יותר אמינות ויכול לתמוך בהרבה יותר מוליכות. באופן ספציפי, מדענים רשמו שיפור של שישה סדרי גודל.

מחשבים שניתן להגדיר מחדש: יישומים בעולם האמיתי ולוח זמנים

מספר יישומים למחשבים הניתנים להגדרה מחדש יכולים לעזור להקל על חייהם של מיליוני אנשים. ראשית, הם ישמשו בסופו של דבר ביישומי בינה מלאכותית. מערכות בינה מלאכותית דורשות העבר