מחשבים הניתנים להגדרה מחדש שעובדים כמו המוח שלך

מהנדסי המכון ההודי למדע חשפו לאחרונה שבב מחשב מהדור הבא המסוגל לעבור בין משימות חישוביות מרובות פשוט על ידי שינוי ההרכב הכימי שלו. העיצוב החדש מקבל רמזים מהמוח האנושי, ופותח את הדלת למערכות בינה מלאכותית עתידיות שלא רק לומדות אלא מגיעות עם ידע משובץ. הנה מה שאתם צריכים לדעת.

פתיחת עתיד המחשוב דורשת חשיבה מחוץ לקופסה. ככל שהשבבים מגיעים לגבול התיאורטי של עיצוביהם, יש להגדיר גישות חדשות על מנת להמשיך ולקדם את כוח החישוב.

ייצור שבבים

כשמדובר בפיתוח שבבים מהירים וקטנים יותר להפעלת מכשירים אלקטרוניים מהדור הבא, סיליקון נתפס כאפשרות המובילה. מוליך למחצה זול ושופע זה מספק ניידות נושאת אנרגיה מקובלת, המאפשרת לו לפעול גם כמבודד וגם כמנצח בשילוב עם חומרים אחרים ומופעל זרם.

בנוסף, ניתן לגדל סיליקון מחומצן (סיליקה) ביריעות דקות התומכות בתכנון מעגלים רב-שכבתיים. יכולת זו הפכה אותו לאידיאלי לשימוש במיקרו- וננו-אלקטרוניקה של ימינו. עם זאת, ישנם כמה חסרונות רציניים לחומר זה.

עיבוד סיליקון יכול להיות מסוכן לסביבה עקב הכימיקלים המעורבים בו. בנוסף, יכולתו לארח ננו-אלקטרוניקה מוגבלת. התקנים בעלי אורך שער נמוך מ-7 ננומטר עלולים לחוות הפרעות רבות. הפרעות אלו יכולות להתרחש מסיבות רבות, כולל דליפת אות ומנהור קוונטי.

ננו-אלקטרוניקה

ננואלקטרוניקה היא הצעד הבא במזעור. התקנים אלה, בגודל של פחות מ-100 ננומטר, כה קטנים עד שהם רגישים יותר למכניקת הקוונטים מאשר לפיזיקה מסורתית. אינטראקציות אלו יכולות לגרום לשינויים בממשק ולתגובות לא לינאריות אחרות עקב מורכבות הפעולה בקנה מידה זה.

מחשוב נוירומורפי

כאשר מכווצים מעגל חשמלי לקנה מידה ננומטרי, קשה מאוד להסתמך על תהליכים מכניים כדי לבצע משימות. ככאלה, מהנדסים פנו לאפשרויות מחשוב נוירומורפי לאחסון מידע ולביצוע חישובים. התקנים אלה מבוססים על המוח שלך.

מחשבים נוירומורפיים משתמשים בחומרי תחמוצת ובמיתוג פילמנטרי כדי להשלים משימות חישוביות. מבנה זה פשוט מצמצם את הגישה הנוכחית לחישוב כדי לחקות למידה. אסטרטגיה זו שונה מיצירת מכשיר שמגיע באופן טבעי עם הנתונים כחלק מהמבנה הטבעי שלו.

כתוצאה מכך, מדענים השקיעו מאמץ רב ביצירת חומר מתקדם המסוגל לאחסן, לחשב ולהסתגל לנתונים מבלי לשנות את פני השטח הפיזי שלו. עם זאת, המורכבויות של יצירת מבנה כזה חמקו מגילוי.

אלקטרוניקה מולקולרית

רצון זה ליצור מכונות קטנות עוד יותר, בעלות גמישות רבה יותר, הוביל מהנדסי אלקטרוניקה מולקולרית לנסות ולתעד אינטראקציות אטומיות ופעולות קוונטיות במטרה הסופית להיות מסוגלים לחזות תוצאות אלו בדיוק רב.

עם זאת, משימה זו נראתה בלתי אפשרית. זה היה עד החודש, כאשר צוות מדענים פרסם מחקר פורץ דרך שהדגים כיצד הם הצליחו לחזות ולשלוט באופן אמין בפעולות אלה.

מחקר מחשבים הניתנים להגדרה מחדש

מהנדסים ומדענים במרכז למדע והנדסה ננומטריים (CeNSE) בהודו כתבו מחדש את מדריך האלקטרוניקה המולקולרית עם ה-"ממריסטורים מהונדסים מולקולרית עבור פונקציונליות נוירומורפית הניתנת להגדרה מחדשמחקר בגודל ¹ אינץ'.

מקור - חומרים מתקדמים

המאמר מאחד התקדמויות אחרונות בתחומי הנדסה חשמלית, כימית ופיזיקלית כדי ליצור התקנים בקנה מידה ננומטרי שיכולים להתאים את ההרכב הכימי שלהם כדי למלא מספר תפקידים, כולל כיחידות זיכרון, שערי לוגיקה, מעבדים או סינפסות אלקטרוניות.

התקנים מולקולריים ניתנים להתאמה

הצלחת המחקר מסייעת להדגים כיצד כימיה יכולה לעשות יותר מאשר לתמוך בפעילויות חישוביות - היא יכולה לספק אותן. כמו כן, יכולת הסתגלות זו מאפשרת לאותו התקן לתפקד גם כזיכרון וגם כיחידת חישוב מבלי להוסיף חומר או לשנות את צורתו הפיזית.

מסגרת חיזוי

אחד הצעדים הראשונים שהמהנדסים היו צריכים לנקוט היה ליצור דרך לחזות כיצד השינויים הכימיים ישפיעו על המעבר החשמלי. באופן ספציפי, הם פיתחו אלגוריתם מידול כימי קוונטי שיכול לעקוב במדויק אחר מולקולות בזמן שהן נעות דרך הסרט.

האלגוריתם כלל נתונים רלוונטיים רבים נוספים, כולל כיצד חמצון וחיזור השפיעו על כל מולקולה וכיצד הם הגיבו ביניהם ביחס למטריצה ​​המולקולרית הכוללת. נתונים אלה שימשו לאחר מכן לקביעת היציבות הכוללת של המולקולות, תוך רישום כל תזוזת יוני נגד בזמן אמת.

המהנדסים, חמושים באלגוריתם החיזוי שלהם, החלו להשתמש בהתנהגות המיתוג כדי לחזות כיצד להמיר התקן יחיד מאחסון, פעילויות חישוביות ועוד. האלגוריתם מאפשר למהנדסים לכוונן במדויק את הסביבה המולקולרית המקומית ואת האינטראקציות הבין-מולקולריות באמצעות קומפלקסים אורגניים של רותניום.

תגובות ממריסטיות

באמצעות האלגוריתם כדי להנחות את מאמציהם, הצוות הצליח לווסת באופן תכנותי מעגל יחיד. באופן מרשים, הם הצליחו להשיג מספר אופנים, כולל זיכרון דיגיטלי, אנלוגי, בינארי וטרנרי.

כדי לבצע משימה זו, הם היו צריכים להתאים את הליגנדים והיונים המקיפים את מולקולות הרותניום. יכולת הסתגלות זו הורחבה וכללה ערכי מוליכות שונים אשר מגדירים מחדש באופן דינמי את יכולות התקן המצב המוצק.

החלק כדי לגלול →

בדיקת מחשבים הניתנים להגדרה מחדש

כדי לבחון את התיאוריה שלהם, מדענים היו צריכים ליצור קומפלקסים ייעודיים של רותניום. הם בנו בהצלחה 17 קומפלקסים כאלה עבור מחקר זה, מה שאפשר להם לנטר שינויים זעירים בתצורת המולקולה ובהגדרות היוניות.

ייצור המכשיר נוהל על ידי פאלאווי גאור. גאור דיווח כי המכשיר היה מסוגל לעבור בין אחסון, מחשוב ותצורה מחדש ללא שינויים מהותיים. יכולת זו הופכת את המכשיר הזה קרוב הרבה יותר לאופן שבו המוח שלך פועל, ומקדמת את מדע המחשוב הנוירומורפי.

תוצאות בדיקת מחשבים הניתנים להגדרה מחדש

תוצאות הבדיקה אישרו את התיאוריה של המהנדס לפיה ניתן לשלב זיכרון וחישוב באותו חומר. הן גם הדגימו כיצד ניתן להשתמש בכימיה לביצוע חישובים ולא רק להשלים את הרכיבים הפעילים של התקן. כתוצאה מכך, עבודה זו משלבת ננו-מחשוב וטכנולוגיית הנדסה כימית כדי לפתוח את הדלת להתקנים קוונטיים קטנים וחזקים יותר.

יתרונות מחשבים הניתנים להגדרה מחדש

ישנם מספר יתרונות שמחקר המחשבים הניתנים להגדרה מחדש מביא לשוק. ראשית, הוא פותח את הדלת לאלקטרוניקה בקנה מידה ננומטרי בקנה מידה חדש. בעבר, התקנים אלה יכלו להיווצר רק בקנה מידה קטן עד כדי כך שכל אמינותם אבדה. העובדה שהיו להם חלקים נעים לא אפשרה לקבוע את יכולת הפעולה שלהם בקנה מידה ננומטרי.

גישה חדשה זו מאפשרת להתקן מצב מוצק לבצע משימות חישוביות מרובות, כגון פעולה כאלמנט זיכרון, שער לוגי, בורר, מעבד אנלוגי או סינפסה אלקטרונית. גמישות זו תעזור למהנדסים עתידיים לתכנן התקנים בעלי יכולות גבוהות וקלות משקל.

פחות הפרעות

מבנה זה גם מפחית הפרעות הנגרמות על ידי מנהור קוונטי ובעיות אחרות כאשר דנים בהתקנים בקנה מידה מולקולרי. ככל שההתקן קטן יותר, כך הפרעות ממקורות חיצוניים יכולות להשפיע עליו יותר. כאשר משלבים עובדה זו עם המיניאטוריזציה של התקנים, קל להבין מדוע גישה זו נחשבת למשנה משחק על ידי רוב האנשים.

מוליכות נוספת

יתרון משמעותי נוסף הוא מוליכות נוספת. סיליקון טהור אינו מוליך או מבודד מצוין. ככזה, הוא דורש ערבוב של תארים וכימיקלים אחרים כדי לשפר את הביצועים. עיצוב חדש זה מספק אמינות רבה יותר ויכול לתמוך במוליכות רבה יותר. באופן ספציפי, מדענים רשמו שיפור של שישה סדרי גודל.

מחשבים הניתנים להגדרה מחדש: יישומים וציר זמן בעולם האמיתי

מספר יישומים למחשבים הניתנים להגדרה מחדש יכולים לסייע להקל על חייהם של מיליוני אנשים. ראשית, הם ישמשו בסופו של דבר ביישומי בינה מלאכותית. מערכות בינה מלאכותית דורשות כמויות אדירות של נתונים שיועברו בתוך מכשירים ופניות.

נכון לעכשיו, קיים פער זעיר בין לוגיקה חישובית לזיכרון, מה שגורם לעיכוב. ככל שהחישובים גדלים, עיכוב זה הולך וגדל, מה שמביא לחישוב איטי יותר. גישה זו תבטל את הצורך להפריד בין לוגיקה, זיכרון ומשימות ליבה אחרות, ותאפשר למכשיר יחיד להמיר באופן מיידי לכל אחד מהם בעת הצורך.

מכשירים רפואיים מהדור הבא

התחום הרפואי הוא תחום נוסף שבו טכנולוגיה זו יכולה לעשות שינוי משמעותי. ניתן יהיה להפוך שתלים ויחידות פנימיות אחרות לקטנות יותר ועם פחות חלקים נעים. גישה זו תהפוך אותם לפחות חמקמקים ותספק מקום לכוח חישוב נוסף במידת הצורך.

ציר זמן של מחשבים הניתנים להגדרה מחדש

ייתכן שיחלפו 7-10 שנים עד שתיתקלו במחשב הניתן להגדרה מחדש. מכשירים אלה יופיעו לראשונה במערכות בינה מלאכותית גדולות יותר, ויסייעו להפחית את עלויות התפעול שלהן ולשפר את היעילות. עם זאת, עדיין יש הרבה בדיקות ופיתוח שצריך להתרחש, לצד מציאת יצרן מתאים המסוגל לייצר מכשירים אלה בקנה מידה גדול.

חוקרי מחשבים הניתנים להגדרה מחדש

מחקר המחשב הניתן להגדרה מחדש נערך על ידי צוות חוקרים במכון ההודי למדע. המחקר נוהל על ידי פרופסור עוזר במרכז למדע והנדסה ננומטריים (CeNSE), סריטוש גוסוואמי.

חלקי הסינתזה המולקולרית של המחקר הושלמו על ידי פראדיפ גוש, עמית רמנוג'אן, וסאנטי פראסאד ראת'. המאמר מציין גם את שיון בהטצ'ריה, לוהיט ט', האריוויניש ס' ודמיאן תומפסון כתורמים.

עתיד המחשבים הניתנים להגדרה מחדש

לחוקרים יש עבודה רבה לפניהם. כיום, הם בוחנים כיצד לשלב טכנולוגיה זו באסטרטגיות ייצור שבבי CMOS של ימינו. מטרתם הכוללת היא לייצר מכשירים המגיעים עם אינטליגנציה מובנית, ובכך לשפר את הביצועים, היציבות והיעילות.

השקעה בתחום המחשוב בזיכרון

ישנן מספר חברות בתחום ייצור השבבים המייצגות הזדמנויות השקעה מעניינות. חברות אלו חוות ביקוש גובר למוצרים החדשניים שלהן, ככל שבינה מלאכותית ומערכות חישוביות עתירות עוצמה ממשיכות להפוך לנורמה. הנה יצרנית אחת שנשארה בחזית טכנולוגיית ייצור השבבים.

טכנולוגיית GSI (GSIT)

בעוד שהמחקר הנ"ל מדגיש את עתיד המחשוב המולקולרי, GSI Technology ממסחרת כיום את הגרסה מבוססת הסיליקון של מושג זה. GSI היא המפתחת של יחידת העיבוד האסוציאטיבית (APU), טכנולוגיה שמשנה באופן מהותי את האופן שבו מחשבים מעבדים נתונים על ידי ביצוע חישובים ישירות. במקום בתוך מערך הזיכרון - מושג המכונה "מחשוב בזיכרון" (CIM).

ארכיטקטורה זו מטפלת באותו "צוואר בקבוק של פון נוימן" שהוזכר במחקר (העיכוב הנגרם מהפרדת לוגיקה וזיכרון). על ידי ביטול הצורך להעביר נתונים הלוך ושוב בין המעבד לזיכרון RAM, יחידת העיבוד השיתופית Gemini® של GSI מספקת האצה אדירה לעומסי עבודה של בינה מלאכותית וחיפוש.

מבחני ביצועים אחרונים שאומתו על ידי אוניברסיטת קורנל אישרו כי ה-APU של GSI יכול להתאים לביצועים של מעבדים גרפיים מהשורה הראשונה (כמו NVIDIA A6000) עבור משימות בינה מלאכותית ספציפיות, תוך צריכת אנרגיה נמוכה בכ-98%.

חברת GSI Technology ממוקמת בסאניווייל, קליפורניה, והיא נסחרת בבורסת נאסד"ק. מוצרי הזיכרון העמידים בפני קרינה שלה כבר מהווים מרכיב עיקרי במגזרי התעופה והחלל והביטחון, ומספקים בסיס הכנסות יציב ככל שהיא משיקה את שבבי הבינה המלאכותית המתקדמים שלה לשוק הרחב.

אלו המחפשים "מהלך טהור" על עתיד המחשוב הממוקד בזיכרון, המופיע ברשימה הצפון אמריקאית, צריכים לחקור את טכנולוגיית GSI. היא מייצגת גשר מעשי בין סיליקון מסורתי לבין עתיד "האינטליגנציה המשובצת" שדמיינו חוקרים.

חדשות וביצועים עדכניים של טכנולוגיית GSI (GSIT)

מחשבים הניתנים להגדרה מחדש | סיכום

היכולת ליצור מחשבים הניתנים להגדרה מחדש משנה הכל. בעתיד, המכשירים שלכם יוכלו להפוך לאמינים ועמידים במיוחד, כאשר כל החלקים הנעים יוחלפו באינטראקציות כימיות. בנוסף, יכולת זו פותחת את הדלת לעיצובים קטנים ומורכבים בהרבה שאינם מסתמכים על רכיבים מכניים אלא על תגובות כימיות אורגניות.

כל הגורמים הללו ועוד הופכים את מחקר המחשבים הניתנים להגדרה מחדש למשנה משחק, בעל פוטנציאל לבשר עידן חדש של מחשוב ושילוב בינה מלאכותית. ככזה, יש עניין רב בעבודה זו. לעת עתה, הצוות יתמקד בייעול תהליכי ייצור ובהפחתת עלויות ומורכבויות ייצור.

למדו על פיתוחים חישוביים מגניבים נוספים כאן.

הפניות

^{1. גאור, פ., קונדו, ב., גוש, פ., בהאטצ'ריה, ס., ט., ל., ס., ה., רת', ס.פ., תומפסון, ד., גוסוואמי, ס., וגוסוואמי, ס. ממריסטורים מהונדסים מולקולרית עבור פונקציונליות נוירומורפית הניתנת להגדרה מחדש. חומרים מתקדמים, e09143. https://doi.org/10.1002/adma.202509143}