Mga Kompyuter na Galing sa Kabute: Paano Pinapagana ng mga Kabute ang Neuromorphic Chips

Isang Bagong Uri ng Biological na Kompyuter

Ang kompyutasyon ay unang binuo gamit ang analog na teknolohiya, na naiiba sa digital na teknolohiya dahil gumagamit ito ng mas kumplikado (at magulo) na mga signal sa halip na malinaw na hiwalay na 1 at 0.

Pinagmulan: Unison Audio

Sa pangkalahatan, mas madaling suriin, ulitin, at ipasa ang digital na signal. Ngunit mas magaling ang analog na signal sa paghawak ng komplikasyon ng totoong sitwasyon, kasama ang lahat ng mga nuance nito.

Kung kaya’t ang mga siyentipiko ay muling tumitingin sa analog na uri ng kompyutasyon para sa mga bagong pag-unlad sa AI, sensing, at iba pang aplikasyon. Kabilang dito ang maraming iba’t ibang disenyo ng tinatawag na neuromorphic chips, na ginagaya kung paano pinoproseso ng utak ang datos.

Isang bagong pag-unlad patungo sa paggamit ng kakayahang katulad ng utak para magsagawa ng kompyutasyon ay ang paglitaw ng aktwal na biological na mga kompyuter, na gumagamit ng organikong tisyu upang magsagawa ng mga gawain na karaniwang iniaatas sa mga silicon chip. Isang halimbawa ay organoids, mga tisyu na pinalaki sa laboratoryo mula sa mga neuron ng tao, na kayang magsagawa ng mga gawain sa kompyutasyon. Pinagsama sa mga bagong teknik para sa 3D printing ng functional na tisyu ng utak, maaaring magbukas ito ng daan sa isang ganap na bago, kakaibang uri ng kakayahan sa kompyutasyon.

Isang iba pang uri ng elektronikong komponent na gumagamit ng mga biyolohikal na sangkap ang dapat idagdag sa listahan, kung saan ang mga siyentipiko sa Ohio State University ay lumikha ng neuromorphic organic memristors, isang uri ng data processor na maaaring alalahanin ang mga nakaraang electrical na estado. Ngunit ginawa nila ito hindi mula sa mga neuron, kundi mula sa mga kabute.

Nailathala nila ang kanilang pagtuklas sa scientific review na PLOS One, sa pamagat na “Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics”.

Bakit Gamitin ang Neuromorphic Computing?

Pag-angat ng mga NPU

• Mas flexible na disenyo, na nagpapahintulot sa arkitektura ng chip na umangkop sa training data.
• Napakababang konsumo ng enerhiya, kung minsan kasing liit ng 1/100 ng katumbas na GPU.
• Mas kaunting paglabas ng init na tumutulong harapin ang lumalaking isyu ng paglamig na bumabalakid sa mga advanced na AI data center.

(Maaari kang magbasa pa tungkol sa hardware na espesyal para sa AI, kabilang ang mga NPU, sa aming dedikadong ulat.)

“Ang kakayahang bumuo ng mga microchip na ginagaya ang aktwal na neural activity ay nangangahulugang hindi mo kailangan ng maraming kapangyarihan para sa standby o kapag hindi ginagamit ang makina.

Iyon ay maaaring maging malaking potensyal na bentahe sa kompyutasyon at ekonomiya.

John LaRocco – research scientist in psychiatry at Ohio State’s College of Medicine.

Maraming mga pamamaraan ang kasalukuyang ini-explore para sa paglikha ng neuromorphic chips:

• Samantalahin ang incipient ferroelectricity, isang phenomenon na hanggang ngayon ay hindi pa lubos na nauunawaan.
• Aktibong substrate na gumagamit ng vanadium o titanium.
• Paggamit ng mga memristor, isang bagong uri ng elektronikong komponent, na maaaring magsagawa ng AI tasks sa 1/800 ng normal na konsumo ng enerhiya.

Paano Ginagaya ng mga Memristor ang mga Synapse

Memristors ay mga elektronikong komponent na ginagaya ang mga synapse na nag-uugnay sa mga neuron

Maaari nitong lubos na mabawasan ang enerhiya at oras na nasasayang sa paglipat ng datos pabalik at pasulong sa pagitan ng mga processor at memory.

Isa sa mga pangunahing lakas ng mga memristor ay ang kanilang kakayahan para sa epektibo at self-adaptive na pagkatuto in situ, na kritikal para sa mga aplikasyon sa robotics at autonomous vehicles.

Bukod pa rito, ang mababang konsumo ng enerhiya ng mga memristor ay partikular na kapaki-pakinabang sa robotics at autonomous vehicles, kung saan ang kahusayan sa enerhiya ay napakahalaga. Ang hybrid analog–digital na mga sistemang memristor ay maaaring magpababa ng paggamit ng enerhiya sa panahon ng pagproseso nang hindi isinasakripisyo ang pagiging tumutugon.

Ang problema sa ngayon ay ang paggawa ng mga elektronikong memristor ay nakasalalay sa mga umuusbong na teknolohiya na may mababang production yield at hindi maaasahang elektronikong performance, dahil sa kamakailan lamang ng teknolohiyang ito.

Ang paggamit ng aktwal na mga neuron, tulad ng sa organoids, ay isa ring opsyon, ngunit ang mga neuron ay talagang napakahirap na selula na pagtrabahuan, dahil medyo marupok at mahirap palaguin.

Ngunit hindi lamang mga neuron ang tanging biyolohikal na tisyu na kayang magproseso at tumugon sa mga electrical na signal.

Isang posibleng alternatibo ay ang mycelium, ang tisyu na bumubuo sa karaniwang mga kabute, isang uri ng organismo na kilala sa kahanga-hangang tibay. Maaari itong palaguin gamit ang mas simpleng bioreactors at nutrisyon na kultura kumpara sa mga kinakailangan para sa tradisyonal na mga neuron at neural organoids.

Pagbuo ng mga Kompyuter na Galing sa Kabute?

Ang mga fungal na materyales ay nagpapakita ng mga conductive pathways na maaaring mabuo nang dinamiko sa ilalim ng impluwensya ng mga electrical na stimulus, katulad ng mga conductive filament na nabubuo sa tradisyonal na mga memristor.

Ang adaptabilidad na ito ay maaaring magdulot ng pinahusay na performance sa mga neuromorphic na aplikasyon sa pamamagitan ng pagpapadali ng variable resistance states na mas malapit na ginagaya ang mga synaptic behavior kaysa sa tradisyonal na mga materyal na memristive.

Ang mga organikong materyales ay may kalamangan din na gumana nang epektibo sa mas mababang boltahe habang pinananatili ang matatag na katangian ng switching na mahalaga para sa mga memristor, kahit na mas mababa kaysa sa mga elektronikong memristor, na mismo ay mas kaunting konsumo ng enerhiya kaysa sa tradisyonal na mga komponent ng kompyutasyon.

Maaaring ito ay mahalaga para sa mga energy-efficient na device para sa portable electronics at mga aplikasyon ng Internet of Things na maaaring umasa sa napakababang suplay ng enerhiya.

I-swipe para mag-scroll →

Bakit Gumagana ang Mga Nakakaing Kabute para sa Kompyutasyon

Gumamit ng karaniwang button mushrooms, pati na rin ang nakakain at medikal na Shiitake mushrooms para sa kanilang mga eksperimento, parehong species na ang pagtatanim ay mahusay na nauunawaan at mura.

Napatunayan na ang mga Shiitake mushroom ay may porous carbon structure kapag na-activate. Ang porous na estruktura na ito ay maaaring magpahusay sa electrochemical performance ng mga device, na ginagawang angkop silang kandidato para sa paggamit sa mga energy storage system, kabilang ang supercapacitors at, potensyal, mga memristor.

Sila rin ay napaka-resistente sa radiation, na maaaring makatulong para sa mga aplikasyon tulad ng aerospace, kung saan ang mga elektronikong chip ay maaaring masira ng ionizing radiation tulad ng UV at solar winds.

Pagtugon ng Elektrikal ng mga Kabute

Kinikonekta ng mga siyentipiko ang test fungal mass matapos itong ma-dehydrate.

Pinagmulan: PLOS One

Sila ay sinubukan sa iba’t ibang boltahe, waveform, at frequency para sa kanilang potensyal na kakayahan bilang memristor.

Ang tumugon na analog signal ay nagpapakita ng malakas na katangiang memristive, na ginagaya sa analog ang digital na signal.

Pinagmulan: PLOS One

Sa pangkalahatan, ang napansin na mabilis na bilis ng pagpalit na 5,850 Hz, katumpakan na 90% (± 1%), medyo mababang konsumo ng enerhiya, magaan na timbang, at resistensya sa radiation ay nagmumukhang ginagawa ang mga fungal memristor na kaakit-akit para sa edge computing, aerospace, at mga embedded firmware na aplikasyon.

Gayunpaman, bumaba ang katumpakan habang tumataas ang frequency, kaya hindi lahat ng uri ng signal ay maaaring maproseso/makompyut gamit ang metodong ito.

Dapat ding tandaan na ang metodong ito ay lumilikha lamang ng biodegradable na mga materyales (ang food-grade na shiitake ay pinalalaki sa wood chips) at hindi nangangailangan ng rare earth o toxic na mga materyales, taliwas sa tradisyonal na mga elektronikong chip.

Hinaharap na Potensyal

Ang pag-aaral dito ay unang pagsubok, at may dalawang limitasyon:

• Ang mga pagsubok ay medyo maikli, tumakbo lamang ng 2 buwan. Kaya ang pangmatagalang kapasidad ng mga fungal memristor ay kailangan pang imbestigahan.
• Gumamit ang metodong ito ng bulk production, habang ang aktwal na aplikasyon ay mangangailangan ng microculture ng mycelium na pinalaki sa isang dedikadong kapaligiran, na magbibigay ng mas maliit at mas kontroladong mga resulta.

Kaya ito ay talagang isang proof of concept, isang demonstrasyon na ang isang kakaibang bagay tulad ng fungal computing ay posible at maaasahan.

Ang anumang hinaharap na disenyo ay malamang na gagamit ng mas konsistent na teknik sa pagtatanim gamit ang 3D-printed na mga template at istruktura na humuhubog sa shiitake mushroom sa nais na geometry.

Ang programming ay maaari ring mapadali sa pamamagitan ng pagdagdag ng mga electrical contact sa isang 3D-printed na istruktura ng pagtatanim.

Sa huli, ang pangmatagalang paggamit ay mangangailangan ng preservasyon, na maaaring magsama ng iba’t ibang teknik, kabilang ang dehydration, desiccation, freeze-drying, ilang hydrogels, at espesyal na mga coating.

Gayunpaman, ang ideya ng pag-develop ng mga memristor gamit lamang ang organikong materyales, at matibay, mura, at biodegradable na materyal ng kabute, ay kapana-panabik.

Pamumuhunan sa Bioprinting

BICO Group AB (BICO.ST)

Habang umuunlad ang organic-based na kompyutasyon, ang 3D printing ng mga buhay na tisyu ay malamang na maging mas ginagamit na kasangkapan. Una sa pananaliksik, at pagkatapos ay para sa aktwal na paggawa ng mga device na gumagamit ng teknolohiyang ito.

Isa sa mga nangunguna sa larangan ay ang Cellink, kung saan ang mga makina nito ay ginagamit para sa bioprinting ng mga mananaliksik sa buong mundo.

Pinagmulan: Cellink

Noong 2021, ang Cellink ay pinalitan ng pangalan bilang BICO Group, kasunod ng pagkuha nito ng Cytena noong 2019 at Scienion noong 2020.

Ang Cellink ay nananatiling brand name para sa bahagi ng bioprinting ng negosyo. Maaari rin itong magamit para sa paglikha ng on-demand na 3D tissues o organs. (Maaari kang magbasa ng talakayan tungkol sa paksang ito sa “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?”).

Bioprinting ay kumakatawan sa halos 1/5^th ng negosyo, kasama ang segment ng bioscience automation, kabilang ang imaging ng mga biological na sample, na bumubuo ng higit sa 3/5^th ng kita.

Pinagmulan: BICO Group AB

Sa pangmatagalan, ang mga kumpanya ng bioprinting ay malamang na mag-evolve mula sa pagbibigay ng mga kasangkapan sa mga mananaliksik tungo sa pagiging mga supplier ng mga bioprinting therapy ng mga pharmaceutical company para sa mga pasyente.

Sa kalaunan, ito ay ganap na magbabago sa bilang ng mga bioprinter na ginagamit at, higit sa lahat, sa dami ng mga consumable na nabebenta bawat buwan.

Ito ay kaparehong proseso na nangyari sa iba pang mga tagagawa ng biolab equipment, kabilang ang mga genome sequencing machine mula sa PacBio (PACB) at Illumina (ILMN), na nagtatapos sa paggawa ng 80% ng kanilang kita mula sa paulit-ulit na benta ng mga consumable.

Bilang ang BICO Group ay hindi lamang nakadepende sa larangang ito, maaari nitong patuloy na pagbutihin ang teknolohiya hanggang maabot nito ang kritikal na dami ng mga gumagamit, habang kumikita at nagtatayo ng kanyang sales network kasama ang mga bioresearcher mula sa iba pa nitong, mas mature na produkto sa bioscience automation.