Ефективний, як мозок людини: вчені створили молекулярний комп'ютер нового типу

Міжнародна команда вчених розробила молекулярний пристрій нового типу, можливості якого можна порівняти з людським мозком.

Вони опублікували дослідження в журналі Nature.

За словами винахідників, пристрій можна миттєво переналаштовувати для виконання різних завдань, просто змінивши напругу. Крім того, він може зберігати інформацію для майбутніх обчислень подібно до того, як мозок зберігає спогади. Учені впевнені, що їх розробка в майбутньому допоможе створити чіпи наступного покоління з підвищеною обчислювальною потужністю і швидкістю і меншим споживанням електроенергії.

"Мозок має чудову здатність змінювати свою проводку, створюючи і розриваючи зв'язки між нервовими клітинами. Досягнення чогось порівнянного у фізичній системі було надзвичайно складним завданням. Тепер ми створили молекулярний пристрій з приголомшливою реконфігурованістю, яка досягається не шляхом зміни фізичних зв'язків, як у мозку, а шляхом перепрограмування його логіки", — пояснив SciTechDaily доктор Стенлі Вільямс, професор кафедри електротехніки та обчислювальної техніки Техаського університету A&M.

Цифрові пристрої завжди стикаються з обчислювальною затримкою, іменованою "вузьким горлечком фон Неймана". Відбувається затримка завдяки тому, що в сучасних комп'ютерів пам'ять фізично відокремлена від процесора, внаслідок час витрачається на обмін інформацією. До того ж, процесори можуть не діяти під час передавання інформації, поглинаючи при цьому енергію.

Рішення знайшли в так званих мемристорах — компонентах, що виконують роль провідників, що зберігають дані та проводять обчислення. Такі компоненти створюють з рідкісних речовин, типу діоксиду ніобію і діоксиду ванадію, крім того вони можуть працювати тільки за певної температури. Доктор Шрібрата Госвамі отримав новий матеріал з атома заліза, пов'язаного з трьома органічними молекулами фенілазопірідіна, званими лігандами.

"Він поводиться, як електронна губка, яка може зупинити поглинати до 6-ти електронів, що призводить до 7-ми різних окислювально-відновних станів. Взаємозв'язок між цими станами є ключем до реконфігурованості", — пояснив фізик.

Доктор Срітош Госвамі з Національного університету Сінгапуру створив крихітний електричний ланцюг, що складається із 40-нанометрового шару молекулярної плівки, затиснутої між шаром золота зверху і наплавленим золотом, оксидом індію та олова знизу. Подавши негативну напругу на пристрій, він побачив профіль струму-напруги, несхожий ні на що, бачене раніше. На відміну від металооксидних мемристоров, які можуть перемикатися з металу на ізолятор тільки за однієї фіксованої напруги, органічні молекулярні пристрої можуть перемикатися зі стану ізолятора в стан провідника при декількох дискретних послідовних напружених.

Срітош і Шрібрата досліджували молекулярні механізми, використовуючи метод візуалізації, званий раманівською спектроскопією. Вони шукали спектральні сліди коливань органічної молекули, які могли б пояснити переходи, і помітили, що зміна негативної напруги викликає серію подій, пов'язаних із придбанням електронів, які змушують молекулу переходити між "вимкненим" та "увімненим" станами.

Щоб математично описати складний профіль струму-напруги молекулярного пристрою, Стенлі Вільямс відмовився від фізичних рівнянь на користь алгоритму дерева рішень з твердженнями "if-then-else" — таке формулювання використовують для кодування комп'ютерних програм і відеоігор.

"У відеоіграх є структура, в якій персонаж щось робить, а потім щось відбувається внаслідок. Отже, якщо ви запишете це в комп'ютерний алгоритм, це будуть затвердження "if-then-else", — розповів Вільямс.

Далі фізики використовували нові молекулярні пристрої для запуску програм для різних обчислювальних задач. Вони експериментально довели, що їхні пристрої в один момент можуть виконувати досить складні обчислення, а в іншій — перемкнутися на виконання інших команд.

"Наш пристрій робив щось схоже на те, що робить мозок, але іншим способом. Коли ви вивчаєте щось нове або коли ухвалюєте рішення, мозок дійсно може переналаштувати. Точно так само ми можемо логічно перепрограмувати або переналаштувати наші пристрої", — прокоментував Срітош Госвамі.

Доктор Тірумалаї Венкатесан з Університету штату Оклахома додав, що один такий молекулярний пристрій може замінити тисячі транзисторів. Завдяки цьому їх можна буде використовувати в портативних пристроях, таких як смартфони і ноутбуки.

Раніше писали, що американці вигадали чіп, який може створювати нейромережі "більше людського мозку". Система від компанії Cerebras Systems може підтримувати ШІ з більш ніж 120 трлн параметрів.