Ang Water-Based Chips ay Maaaring Maging Pambihirang Pambihirang Pag-unlad para sa Neural Networking, AI

Sinusunod ng mga siyentipiko ang sariling mga disenyo ng kalikasan sa pagbuo ng mga ionic microprocessor, na maaaring mapatunayang partikular na matipid sa enerhiya kumpara sa mga tradisyunal na processor na nakabatay sa semiconductor.

Gaya ng na-publish sa Advanced Materials, isang pangkat ng mga mananaliksik kasama ang Harvard’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), sa pakikipagtulungan sa biotech startup DNA Script, ay bumuo ng isang ionic circuit na binubuo ng daan-daang ionic transistors. Nagsagawa pa sila ng isang pangunahing proseso ng neural net computing sa loob nito — ang wetware ay nagiging mas kaunti bilang isang sci-fi buzz na salita.

Ang disenyo ng Ionic processor ay naglalayong magdala ng mga natutunan mula sa mga sistema ng pagpoproseso ng biology — partikular na ang mga utak — upang lumikha ng mga processor na gumagamit ng electrochemistry sa halip na kuryente upang magsagawa ng mga kalkulasyon. Ipinipinta ng pananaliksik ang mga ionic processor bilang isang malamang na teknolohiya na mabuo at i-scale patungo sa hinaharap, kung saan ang kanilang mga disenyong matipid sa enerhiya ay maaaring maging mahalaga para sa ilang partikular na sitwasyon sa pag-deploy.

Maaga pa para sa teknolohiya, dahil na-mount lang ng mga mananaliksik ang unang circuit board na aktwal na naglalaman ng daan-daang ionic transistors — hanggang ngayon, nag-iisang ionic transistors lang ang naipakita. Sa gayon, ang pananaliksik ay nagbibigay daan para sa aktwal na mga processor na malikha sa pamamagitan ng pagpapatakbo ng daan-daang — libu-libo, o kahit milyon-milyong — ng mga ionic transistor nang magkasabay.

Ang ionic circuit ng mananaliksik ay nilikha mula sa pagpaparami ng bilang ng mga solong ionic transistors na maaaring gumana nang magkasama. Ang kanilang ionic transistor na disenyo ay binubuo ng isang may tubig na solusyon ng mga quinone molecule, na naka-interface sa dalawang concentric ring electrodes (asul at pula) na may isang pangatlo (dilaw), center disk electrode, mahalagang bumubuo ng isang bullseye-like transistor na disenyo.

Larawan 1 ng 1

Isang CMOS chip (kaliwa) na may array (gitna) ng daan-daang indibidwal na ionic transistors (kanan). (Kredito ng larawan: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)

Sa pamamagitan ng pagpapatakbo ng boltahe sa transistor, ang dalawang concentric ring electrodes ay nagagawang lokal na ibagay ang pH ng tubig sa pamamagitan ng pagtaas o pagpapababa ng dami ng mga hydrogen ions na naroroon dito. Ang pagbabagong ito, isang gawa ng electrochemistry, ay nagbibigay-daan para sa paggamit ng ionic current ng transistor bilang isang on at off switch — kilala bilang gate, sa mga transistor na nakasanayan na nating marinig. Ang gating ng ionic current sa pamamagitan ng mga pagbabago sa pH ng transistor ay nagbubukas ng kakayahan para sa mga transistor na magproseso ng binary na impormasyon.

Ang mga mananaliksik ay higit pang nakatutok sa kanilang disenyo ng microprocessor, na inilalagay ang mga analogue transistors na ito (may kakayahang kumatawan sa isang 0 o isang 1) sa isang 16 x 16 matrix grid array. Pinayagan nito ang ionic processor na magsagawa ng mga gawain sa pagpaparami ng matrix, na inilalapit ito sa mga kakayahan ng neural network at pinapataas ang halaga nito para sa mga sitwasyon sa pagproseso ng artificial intelligence na maaaring mangailangan ng napakaspesipikong mga kinakailangan sa performance/power balance.

“Ang pagpaparami ng matrix ay ang pinakakaraniwang pagkalkula sa mga neural network para sa artificial intelligence,” sabi ni Woo-Bin Jung, isang postdoctoral fellow sa SEAS at ang unang may-akda ng papel. “Ang aming ionic circuit ay gumaganap ng matrix multiplication sa tubig sa isang analog na paraan na ganap na nakabatay sa electrochemical machinery.”

Ang trade-off ay mas mabagal ang mga ito — ngunit kumpara sa liwanag, lahat ay mas mabagal. Inaasahan na ngayon ng mga mananaliksik na patuloy na bumuo ng kanilang mga ionic processor sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa kanila na magamit ang mas mataas na bilang ng mga electrochemical reactions, tulad ng pagtaas ng mga uri ng mga ions na minamanipula upang maproseso ang impormasyon. Ang mga mananaliksik ay maaari pa ring umasa sa programa ng mga karagdagang function sa mga system na ito.

Na, na ipinares sa pagtaas ng bilang ng mga available na transistor, ay dapat magbigay ng mga benepisyo sa pagganap habang binubuksan ang mga ionic processor sa mas iba’t ibang gawain at aktwal na partikular o pangkalahatang layunin na pag-compute.

“Sa ngayon, gumamit lamang kami ng 3 hanggang 4 na ionic species, tulad ng hydrogen at quinone ions, upang paganahin ang gating at ionic na transportasyon sa aqueous ionic transistor,” sabi ni Jung. “Ito ay magiging lubhang kawili-wili na gumamit ng higit pang magkakaibang mga ionic species at upang makita kung paano natin sila mapagsamantalahan upang yumaman ang mga nilalaman ng impormasyong ipoproseso.”