Ang Pananaliksik ay Naghahanda ng Daan para sa Honey-Based Neuromorphic Computing

Ang mga mananaliksik sa Washington State University ay nakagawa ng isang proof-of-concept device na kinabibilangan ng isa sa mga mahahalagang circuit para sa neuromorphic computing – ang memristor – na binuo mula sa isang hindi malamang na medium: honey. Inaasahan ng mga mananaliksik na ang kanilang pananaliksik ay nagbibigay daan para sa biodegradable, sustainable, organic-based na mga computing system na mga order ng magnitude na mas mahusay kaysa sa conventional computing architectures.

Upang mabuo ang device, ang mga mananaliksik ay nagproseso ng totoo, bee-sourced honey sa isang solidong anyo na hawak sa pagitan ng dalawang metal electrodes, katulad ng kung paano nakahiga ang mga synapses ng iyong utak sa pagitan ng mga pares ng neuron. Pagkatapos ay sinubukan ang device para sa kakayahang mabilis na mag-on at off sa bilis na nasa pagitan ng 100 at 500 nanosecond ng kanilang mga biological na katapat – at nagtagumpay ito.

“Ito ay isang napakaliit na device na may simpleng istraktura, ngunit ito ay may halos kaparehong mga pag-andar sa isang neuron ng tao,” sabi ni Feng Zhao, associate professor ng WSU’s School of Engineering and Computer Science, sa anunsyo. “Ito ay nangangahulugan na kung maaari nating pagsamahin milyon-milyon o bilyun-bilyon ng mga honey memristor na ito nang magkasama, pagkatapos ay maaari silang gawing isang neuromorphic system na gumagana tulad ng isang utak ng tao.”

Ang neuromorphic computing ay nakatayo sa sangang-daan sa pagitan ng teknolohikal at biological na ebolusyon. Nilalayon ng mga neuromorphic na disenyo na gayahin ang paggana ng mga neuron at synapses ng ating utak (na binuo sa milyun-milyong taon ng ebolusyon) upang ma-unlock ang mga order ng magnitude na pagpapabuti sa parehong kakayahan sa pag-compute at kahusayan ng kuryente. Ang napakalaking pagkakaiba sa kahusayan ay hindi maaaring maliitin: ang pinakamakapangyarihang supercomputer sa mundo, ang Arm-based na Fugaku ng Japan, ay gumagamit ng average na 28 milyong watts. Oo, kaya nitong lutasin ang mga problema na hindi kaya ng ating utak; ngunit ang kabaligtaran ay totoo rin. Ang mga modernong computer ay kulang pa rin sa spark ng pagkamalikhain na nagmumula (kahit bahagyang) mula sa kakayahang pagsamahin ang kilalang impormasyon sa mga bagong paraan – habang kumokonsumo ng tinatayang 10 W hanggang 20 W ng kapangyarihan. Ang mga memristor, kasama ang kanilang kakayahan sa parehong proseso at pag-imbak ng data, ay susi upang makamit ang maihahambing na mga antas ng kahusayan.

Nakabatay ang mga conventional system gaya ng kasalukuyang pinakamahusay na gaming PC sa disenyo ng Von Neumann, isang computational architecture na iminungkahi noong 1945 ng homonymous na lumikha nito. Ang mga ito ay nangangailangan na ang computing system ay idinisenyo gamit ang mga mekanismo ng pag-input gaya ng keyboard, mouse, o touchscreen, kasama ng isang output medium (tulad ng monitor ng iyong computer). At upang maproseso ang mga input at ma-convert ang mga ito sa nais na output, ang mga arkitektura ng Von Neumman ay nagsasama ng isang CPU at mga bangko ng imbakan ng data, tulad ng mga panloob na cache (na tumataas lamang ang laki sa paglipas ng mga taon) at mga panlabas na memorya ng bangko (tulad ng RAM). Nagbibigay-daan ito sa kanila na mag-imbak ng mga intermediate at huling resulta ng pag-compute, pati na rin ang mahahalagang set ng pagtuturo na gumagabay sa mga transistor ng CPU sa kanilang mga workload.

Ang mga arkitektura na nakabatay sa Von Neumann ay ang batayan ng mga modernong sistema ng computing. (Kredito ng larawan: Kaphoot sa pamamagitan ng Wikipedia)

Ang pisikal na distansya na naghihiwalay sa mga elemento ng pag-compute mula sa imbakan ay nagkakaroon ng parehong mga parusa sa performance at power efficiency. Ang mga ito ay nagpapataas lamang ng mas malayo na ang data ay kailangang kunin, na isa sa mga dahilan para sa pagbuo ng mga in-CPU cache (kung saan ang 3D V-Cache ng AMD ay isang angkop na halimbawa) na naglalayong bawasan ang distansya sa pagitan ng imbakan at mga elemento ng pag-compute.

Habang pinag-aaralan ng mga mananaliksik ang maraming mga organikong materyales bilang mga kandidato para sa disenyo ng memristor, tulad ng mga protina, asukal at iba pang mga organikong compound, ipinakita ng pulot ang mga pinaka-promising na katangian.

“Hindi nasisira ang honey,” sabi ni Zhao. “Ito ay may napakababang moisture concentration, kaya hindi makakaligtas ang bacteria dito. Ibig sabihin, ang mga computer chips na ito ay magiging napaka-stable at maaasahan sa napakatagal na panahon.”

Ang isa pang mahalagang elemento ng mga potensyal na sistema ng neuromorphic na nakabatay sa pulot ay ang kanilang matinding biodegradability, na makakatulong sa pagputol ng toneladang elektronikong basura na nagmumula sa hindi na ginagamit o may sira na mga elektronikong nakabatay sa silicon.

“Kapag gusto nating itapon ang mga device gamit ang mga computer chips na gawa sa pulot, madali nating matutunaw ang mga ito sa tubig,” patuloy ni Zhao. “Dahil sa mga espesyal na katangian na ito, ang pulot ay lubhang kapaki-pakinabang para sa paglikha ng mga renewable at biodegradable neuromorphic system.” Nagdudulot ito ng mga hamon hindi lamang para sa atin na sapat na sawi upang gawing personal na isport ang pagtapon ng kape sa electronics, kundi pati na rin para sa tuluyang pag-deploy ng mga solusyong ito sa mga hindi gaanong nakokontrol na kapaligiran.

Mayroon pa ring kailangang gawin sa pamamaraang memristor na nakabatay sa pulot, gayunpaman. Ang isa sa mga susunod na layunin ng pananaliksik ay upang higit pang gawing maliit ang elemento ng computing. Habang ang kasalukuyang disenyo ay nakatayo sa isang micro-scale (tungkol sa laki ng isang buhok ng tao), ang koponan ay naglalayong dalhin ang kamag-anak na laki nito sa nanoscale (sa paligid ng 1/1,000 na mas maliit). Walang pag-iwas sa kinakailangan sa pag-scale na ito: tanging sa nanoscale lamang ang mga device ay makakahawak ng milyun-milyon at kahit bilyun-bilyon ng mga elementong ito sa pag-compute, ang halagang itinuring na kinakailangan para sa mga kapaki-pakinabang na neuromorphic system.

Kahit na may pag-asa ang pananaliksik, maaari itong maapektuhan ng lalong nanganganib na populasyon ng pukyutan sa buong mundo. Ngunit muli, malamang na mahaharap tayo sa mas mahihirap na hamon kaysa sa pagkawala ng kakayahang mag-deploy ng mga neuromorphic computing system na nakabatay sa pulot.