Computer riconfigurabili che funzionano come il tuo cervello

Gli ingegneri dell'Indian Institute of Science hanno recentemente presentato un chip di nuova generazione in grado di passare da un'attività computazionale all'altra semplicemente modificando la propria composizione chimica. Il nuovo design trae spunto dal cervello umano, aprendo la strada a futuri sistemi di intelligenza artificiale che non si limitano ad apprendere, ma incorporano anche la conoscenza. Ecco cosa c'è da sapere.

Per sbloccare il futuro dell'informatica è necessario pensare fuori dagli schemi. Man mano che i chip raggiungono il limite teorico dei loro progetti, è necessario configurare nuovi approcci per continuare a spingere la potenza di calcolo in avanti.

Produzione di chip

Quando si tratta di sviluppare chip più veloci e più piccoli per alimentare dispositivi elettronici di nuova generazione, il silicio è considerato l'opzione principale. Questo semiconduttore, abbondante ed economico, offre un'accettabile mobilità dei portatori, consentendogli di agire sia come isolante che come conduttore quando combinato con altri materiali e sottoposto a corrente.

Inoltre, il silicio ossidato (silice) può essere coltivato in fogli sottili che supportano la progettazione di circuiti multistrato. Questa capacità lo ha reso ideale per l'uso nella micro e nanoelettronica odierna. Tuttavia, questo materiale presenta alcuni gravi svantaggi.

La lavorazione del silicio può essere pericolosa per l'ambiente a causa delle sostanze chimiche coinvolte. Inoltre, la sua capacità di ospitare nanoelettronica è limitata. I dispositivi con una lunghezza di gate inferiore a 7 nm possono subire numerose interferenze. Queste interruzioni possono verificarsi per diversi motivi, tra cui perdite di segnale e tunneling quantistico.

nanoelettronica

La nanoelettronica rappresenta il passo successivo nella miniaturizzazione. Questi dispositivi, con dimensioni inferiori a 100 nm, sono così piccoli da essere più sensibili alla meccanica quantistica rispetto alla fisica tradizionale. Queste interazioni possono causare cambiamenti di interfaccia e altre risposte non lineari a causa della complessità di funzionamento a questa scala.

Informatica neuromorfica

Quando si riduce un circuito alla scala nanometrica, diventa estremamente difficile affidarsi a processi meccanici per svolgere le attività. Per questo motivo, gli ingegneri si sono rivolti a soluzioni di calcolo neuromorfico per archiviare informazioni ed eseguire calcoli. Questi dispositivi sono basati sul cervello.

I computer neuromorfici utilizzano materiali ossidici e commutazione filamentare per completare le attività computazionali. Questa struttura semplicemente riduce l'attuale approccio al calcolo per imitare l'apprendimento. Questa strategia è diversa dalla creazione di un dispositivo che include i dati intrinsecamente come parte della sua struttura naturale.

Di conseguenza, gli scienziati hanno dedicato molti sforzi alla creazione di un materiale avanzato in grado di immagazzinare, elaborare e adattarsi ai dati senza modificare la propria superficie fisica. Tuttavia, i meccanismi alla base della creazione di una tale struttura sono rimasti sconosciuti.

Elettronica Molecolare

Questo desiderio di creare macchine ancora più piccole e versatili ha spinto gli ingegneri elettronici molecolari a provare a documentare le interazioni atomiche e le azioni quantistiche, con l'obiettivo finale di poter prevedere questi risultati con grande precisione.

Tuttavia, questo compito sembrava impossibile. Almeno fino a questo mese, quando un team di scienziati ha pubblicato uno studio rivoluzionario che ha dimostrato come fossero in grado di prevedere e controllare in modo affidabile queste azioni.

Studio sui computer riconfigurabili

Gli ingegneri e gli scienziati del Centro per la Nanoscienza e l'Ingegneria (CeNSE) in India hanno appena riscritto il manuale di elettronica molecolare con il "Memristori ingegnerizzati a livello molecolare per funzionalità neuromorfiche riconfigurabili¹” studio.

Fonte - Materiali Avanzati

Il documento riunisce i recenti progressi nell'ingegneria elettrica, chimica e fisica per creare dispositivi su scala nanometrica in grado di adattare la propria composizione chimica per svolgere diverse funzioni, tra cui unità di memoria, porte logiche, processori o sinapsi elettroniche.

Dispositivi molecolari adattabili

Il successo dello studio contribuisce a dimostrare come la chimica possa fare molto più che supportare le attività computazionali: può addirittura fornirle. Inoltre, questa adattabilità consente allo stesso dispositivo di funzionare sia come memoria che come unità di calcolo senza aggiungere materiale o modificarne la forma fisica.

Quadro predittivo

Uno dei primi passi che gli ingegneri hanno dovuto compiere è stato quello di creare un modo per prevedere come i cambiamenti chimici avrebbero influenzato il trasporto elettrico. Nello specifico, hanno sviluppato un algoritmo di modellazione chimica quantistica in grado di tracciare accuratamente le molecole durante il loro viaggio attraverso la pellicola.

L'algoritmo includeva molti altri dati rilevanti, tra cui il modo in cui l'ossidazione e la riduzione influenzavano ciascuna molecola e come interagivano in relazione alla matrice molecolare complessiva. Questi dati sono stati poi utilizzati per determinare la stabilità complessiva delle molecole, registrando eventuali spostamenti di controione in tempo reale.

Gli ingegneri, dotati del loro algoritmo predittivo, hanno iniziato a utilizzare il comportamento di commutazione per prevedere come trasformare un singolo dispositivo in memoria, attività computazionali e altro ancora. L'algoritmo consente agli ingegneri di regolare con precisione l'ambiente molecolare locale e le interazioni intermolecolari utilizzando complessi organici di rutenio.

Risposte memristive

Utilizzando l'algoritmo come guida per i propri sforzi, il team è riuscito a modulare con successo un singolo circuito a livello di programmazione. Incredibilmente, sono riusciti a ottenere molteplici modalità, tra cui memoria digitale, analogica, binaria e ternaria.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno dovuto adattare i ligandi e gli ioni che circondano le molecole di rutenio. Questa adattabilità è stata ampliata per includere diversi valori di conduttanza che riconfigurano dinamicamente le capacità del dispositivo a stato solido.

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Test dei computer riconfigurabili

Per testare la loro teoria, gli scienziati hanno dovuto creare complessi di rutenio appositamente progettati. Ne hanno costruiti con successo 17 per questo studio, il che ha permesso loro di monitorare minuscole variazioni nella configurazione molecolare e nelle impostazioni ioniche.

La fabbricazione del dispositivo è stata guidata da Pallavi Gaur. Gaur ha riferito che il dispositivo è in grado di passare da archiviazione, elaborazione e riconfigurazione senza modifiche ai materiali. Questa capacità rende il dispositivo molto più simile al funzionamento del cervello umano, facendo progredire la scienza dell'informatica neuromorfica.

Risultati dei test sui computer riconfigurabili

I risultati dei test hanno confermato la teoria dell'ingegnere secondo cui è possibile combinare memoria e capacità di calcolo all'interno dello stesso materiale. Hanno anche dimostrato come la chimica possa essere utilizzata per eseguire calcoli e non solo per integrare i componenti attivi di un dispositivo. Di conseguenza, questo lavoro unisce la nanoinformatica e la tecnologia dell'ingegneria chimica per aprire la strada a dispositivi quantistici più piccoli e potenti.

Vantaggi dei computer riconfigurabili

Sono diversi i vantaggi che lo studio sui computer riconfigurabili porta al mercato. Innanzitutto, apre le porte all'elettronica su scala nanometrica su una scala completamente nuova. In passato, questi dispositivi potevano essere realizzati solo in dimensioni così ridotte, prima che l'affidabilità venisse compromessa. Il fatto che avessero parti mobili rendeva impossibile determinarne l'operabilità su scala nanometrica.

Questo nuovo approccio consente a un dispositivo a stato solido di svolgere molteplici compiti computazionali, come ad esempio fungere da elemento di memoria, porta logica, selettore, processore analogico o sinapsi elettronica. Questa flessibilità aiuterà gli ingegneri del futuro a progettare dispositivi più potenti e leggeri.

Meno interferenze

Questa struttura riduce anche le interferenze causate dall'effetto tunnel quantistico e altri problemi quando si parla di dispositivi su scala molecolare. Più piccolo è un dispositivo, maggiore è l'interferenza da fonti esterne che può influenzarlo. Se si aggiunge a questo la miniaturizzazione dei dispositivi, è facile capire perché questo approccio sia considerato rivoluzionario dalla maggior parte delle persone.

Conduttanza aggiunta

Un altro importante vantaggio è la maggiore conduttanza. Il silicio puro non è un ottimo conduttore o isolante. Pertanto, richiede l'aggiunta di additivi e altre sostanze chimiche per migliorarne le prestazioni. Questo nuovo design offre maggiore affidabilità e può supportare una conduttanza molto maggiore. Nello specifico, gli scienziati hanno registrato un miglioramento di sei ordini di grandezza.

Computer riconfigurabili: applicazioni reali e cronologia

Diverse applicazioni per i computer riconfigurabili potrebbero contribuire a semplificare la vita di milioni di persone. Innanzitutto, saranno utilizzati in applicazioni di intelligenza artificiale. I sistemi di intelligenza artificiale richiedono il trasferimento di enormi quantità di dati all'interno di dispositivi e riferimenti.

Attualmente, esiste un divario minuscolo tra logica computazionale e memoria, che si traduce in un ritardo. Con l'aumentare dei calcoli, questo ritardo aumenta, con conseguente rallentamento dell'elaborazione. Questo approccio eliminerebbe la necessità di separare logica, memoria e altre attività fondamentali, consentendo a un singolo dispositivo di eseguire istantaneamente ciascuna di queste operazioni quando necessario.

Dispositivi medici di nuova generazione

Anche il campo medico è un ambito in cui questa tecnologia potrebbe fare la differenza. Impianti e altre unità interne potrebbero essere realizzati in dimensioni ridotte e con meno parti mobili. Questo approccio li renderebbe meno invasivi e lascerebbe spazio per ulteriore potenza di calcolo, se necessario.

Cronologia dei computer riconfigurabili

Potrebbero volerci dai 7 ai 10 anni prima di imbattersi in un computer riconfigurabile. Questi dispositivi emergeranno inizialmente in sistemi di intelligenza artificiale più ampi, contribuendo a ridurne i costi operativi e a migliorarne l'efficienza. Tuttavia, sono ancora necessari molti test e sviluppi, oltre a trovare un produttore idoneo in grado di realizzare questi dispositivi su larga scala.

Ricercatori di computer riconfigurabili

Lo studio sul computer riconfigurabile è stato realizzato da un team di ricercatori dell'Indian Institute of Science. Lo studio è stato guidato dal professore associato presso il Centre for Nano Science and Engineering (CeNSE), Sreetosh Goswami.

Le parti dello studio relative alla sintesi molecolare sono state completate da Pradip Ghosh, Ramanujan Fellow, e Santi Prasad Rath. L'articolo include anche Shayon Bhattacharya, Lohit T, Harivignesh S e Damien Thompson come collaboratori.

Computer riconfigurabili del futuro

I ricercatori hanno un bel da fare. Attualmente stanno studiando come integrare questa tecnologia nelle attuali strategie di produzione dei chip CMOS. Il loro obiettivo generale è realizzare dispositivi dotati di intelligenza intrinseca, migliorando prestazioni, stabilità ed efficienza.

Investire nel campo del calcolo in memoria

Diverse aziende nel settore della produzione di chip rappresentano interessanti opportunità di investimento. Queste aziende hanno assistito a una crescente domanda per i loro prodotti innovativi, mentre l'intelligenza artificiale e altri sistemi di calcolo ad alta potenza continuano a diventare la norma. Ecco un produttore che è rimasto all'avanguardia nella tecnologia di fonderia di chip.

Tecnologia GSI (GSIT)

Mentre lo studio sopra riportato evidenzia il futuro del calcolo molecolare, GSI Technology sta già commercializzando la versione basata sul silicio di questo concetto. GSI è lo sviluppatore dell'Associative Processing Unit (APU), una tecnologia che cambia radicalmente il modo in cui i computer elaborano i dati, eseguendo calcoli direttamente. a posto all'interno della matrice di memoria, un concetto noto come "Compute-in-Memory" (CIM).

Questa architettura risolve lo stesso "collo di bottiglia di von Neumann" menzionato nello studio (il ritardo causato dalla separazione di logica e memoria). Eliminando la necessità di trasferire i dati avanti e indietro tra processore e RAM, l'APU Gemini® di GSI offre un'accelerazione straordinaria per i carichi di lavoro di intelligenza artificiale e ricerca.

Recenti benchmark convalidati dalla Cornell University hanno confermato che l'APU di GSI può eguagliare le prestazioni delle GPU di fascia alta (come la NVIDIA A6000) per specifiche attività di intelligenza artificiale, consumando circa il 98% di energia in meno.

GSI Technology ha sede a Sunnyvale, in California, ed è quotata al NASDAQ. I suoi prodotti di memoria resistenti alle radiazioni sono già un punto di riferimento nei settori aerospaziale e della difesa, garantendo una solida base di fatturato mentre l'azienda lancia i suoi chip di intelligenza artificiale all'avanguardia sul mercato più ampio.

Chi è alla ricerca di un "pure play" quotato in Nord America sul futuro dell'informatica basata sulla memoria dovrebbe informarsi su GSI Technology. Rappresenta un ponte pratico tra il silicio tradizionale e il futuro dell'"intelligenza integrata" immaginato dai ricercatori.

Ultime notizie e prestazioni di GSI Technology (GSIT)

Computer riconfigurabili | Conclusione

La possibilità di creare computer riconfigurabili cambia tutto. In futuro, i dispositivi potrebbero diventare estremamente affidabili e durevoli, poiché tutte le parti mobili vengono sostituite da interazioni chimiche. Inoltre, questa capacità apre la strada a progetti molto più piccoli e complessi che non si basano su componenti meccanici, ma piuttosto su reazioni chimiche organiche.

Tutti questi fattori, e altri ancora, rendono lo studio del computer riconfigurabile un punto di svolta che ha il potenziale per inaugurare una nuova era di integrazione tra informatica e intelligenza artificiale. Pertanto, l'interesse per questo lavoro è notevole. Per ora, il team si concentrerà sulla semplificazione dei processi di fabbricazione e sulla riduzione dei costi e delle complessità di produzione.

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Referenze

^{1. Gaur, P., Kundu, B., Ghosh, P., Bhattacharya, S., T, L., S, H., Rath, SP, Thompson, D., Goswami, S. e Goswami, S. Memristori ingegnerizzati a livello molecolare per funzionalità neuromorfiche riconfigurabili. Materiali avanzati, e09143. https://doi.org/10.1002/adma.202509143}