Эффективный, как мозг человека: ученые создали молекулярный компьютер нового типа

Международная команда ученых разработала молекулярное устройство нового типа, возможности которого сравнимы с человеческим мозгом.

Они опубликовали исследование в журнале Nature.

По словам изобретателей, устройство можно мгновенно перенастроить для выполнения различных задач, просто изменив напряжение. Кроме того, оно может хранить информацию для будущих вычислений подобно тому, как мозг сохраняет воспоминания. Ученые уверены, что их разработка в будущем поможет создать чипы следующего поколения с повышенной вычислительной мощностью и скоростью и меньшим потреблением электроэнергии.

"Мозг обладает замечательной способностью изменять свою проводку, создавая и разрывая связи между нервными клетками. Достижение чего-то сопоставимого в физической системе было чрезвычайно сложной задачей. Теперь мы создали молекулярное устройство с потрясающей реконфигурируемостью, которая достигается не путем изменения физических связей, как в мозге, а путем перепрограммирования его логики", — объяснил SciTechDaily доктор Стэнли Уильямс, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Техасского университета A&M.

Цифровые устройства всегда сталкиваются с вычислительной задержкой, именуемой "узким горлышком фон Неймана". Происходит задержка благодаря тому, что у современных компьютеров память физически отделена от процессора, в результате время тратится на обмен информацией. Вдобавок, процессоры могут бездействовать при передаче информации, поглощая при этом энергию.

Решение нашли в так называемых мемристорах — компонентах, выполняющих роль проводников, хранящих данные и проводящих вычисления. Такие компоненты создают из редких веществ, типа диоксида ниобия и диоксида ванадия, кроме того они могут работать только при определенной температуре. Доктор Шрибрата Госвами получил новый материал из атома железа, связанного с тремя органическими молекулами фенилазопиридина, называемыми лигандами.

"Он ведет себя, как электронная губка, которая может обратимо поглощать до 6-ти электронов, что приводит к 7-ми различным окислительно-восстановительным состояниям. Взаимосвязь между этими состояниями является ключом к реконфигурируемости", — объяснил физик.

Доктор Сритош Госвами из Национального университета Сингапура создал крошечную электрическую цепь, состоящую из 40-нанометрового слоя молекулярной пленки, зажатой между слоем золота сверху и наплавленным золотом, оксидом индия и олова снизу. Подав отрицательное напряжение на устройство, он увидел профиль тока-напряжения, непохожий ни на что, виданное прежде. В отличие от металлооксидных мемристоров, которые могут переключаться с металла на изолятор только при одном фиксированном напряжении, органические молекулярные устройства могут переключаться из состояния изолятора в состояние проводника при нескольких дискретных последовательных напряжениях.

Сритош и Шрибрата исследовали молекулярные механизмы, используя метод визуализации, называемый рамановской спектроскопией. Они искали спектральные следы колебаний органической молекулы, которые могли бы объяснить переходы, и заметили, что изменение отрицательного напряжения вызывает серию событий, связанных с приобретением электронов, которые заставляют молекулу переходить между "выключенным" и "включенным" состояниями.

Чтобы математически описать сложный профиль тока-напряжения молекулярного устройства, Стэнли Уильямс отказался от физических уравнений в пользу алгоритма дерева решений с утверждениями "if-then-else" — такую формулировку используют для кодирования компьютерных программ и видеоигр.

"В видеоиграх есть структура, в которой персонаж что-то делает, а затем что-то происходит в результате. Итак, если вы запишете это в компьютерный алгоритм, это будут утверждения "if-then-else", — рассказал Уильямс.

Дальше физики использовали новые молекулярные устройства для запуска программ для различных вычислительных задач. Они экспериментально доказали, что их устройства в один момент могут выполнять довольно сложные вычисления, а в другой — переключиться на выполнение других команд.

"Наше устройство делало что-то похожее на то, что делает мозг, но другим способом. Когда вы изучаете что-то новое или когда принимаете решение, мозг действительно может перенастроиться. Точно так же мы можем логически перепрограммировать или перенастроить наши устройства", — прокомментировал Сритош Госвами.

Доктор Тирумалай Венкатесан из Университета штата Оклахома добавил, что одно такое молекулярное устройство может заменить тысячи транзисторов. Благодаря этому их можно будет использовать в портативных устройствах, таких как смартфоны и ноутбуки.

Ранее писали, что американцы придумали чип, которая может создавать нейросети "больше человеческого мозга". Система от компании Cerebras Systems может поддерживать ИИ с более чем 120 трлн параметров.