Грибкові комп'ютери: як гриби живлять нейроморфні чіпи

Новий тип біологічного комп'ютера

Обчислювальна техніка спочатку розроблялася з використанням аналогової технології, яка відрізняється від цифрової тим, що використовує складніші (і неоднорідні) сигнали замість чітко розділених 1 та 0.

джерело: Unison Audio

Загалом, цифровий сигнал легше аналізувати, відтворювати та передавати. Але аналоговий сигнал краще справляється зі складністю реальної ситуації з усіма її нюансами.

Ось чому вчені звертаються до аналогових типів обчислень для нових розробок у сфері штучного інтелекту, сенсорних систем та інших застосувань. Це включає багато різних конструкцій так званих нейроморфних чіпів, які імітують те, як мозок обробляє дані.

Новим кроком у використанні здатностей мозку для виконання обчислень є поява справжніх біологічних комп'ютерів, які використовують органічні тканини для виконання завдань, зазвичай покладених на кремнієві чіпи. Одним із прикладів є органоїди, вирощені в лабораторії тканини, отримані з людських нейронів, здатні виконувати обчислювальні завдання. У поєднанні з нові методи 3D-друку функціональних тканин мозку, це може відкрити шлях до абсолютно нового, дивного виду обчислювальних можливостей.

До списку слід додати ще один тип електронних компонентів, що використовують біологічні компоненти, адже вчені з Університету штату Огайо створили нейроморфні органічні мемристори – тип процесора даних, який може запам'ятовувати минулі електричні стани. Тільки от вони створили його не з нейронів, а з грибів.

Вони опублікували своє відкриття в науковому журналі PLOS One під назвою «Стійкі мемристори з міцелію шиїтаке для високочастотної біоелектроніки».

Навіщо використовувати нейроморфні обчислення?

Піднесення НПУ

Нейронні процесори (NPU), також відомі як нейроморфні чіпи, – це тип апаратного забезпечення штучного інтелекту, яке має кілька переваг порівняно з більш традиційними чіпами, такими як центральні та графічні процесори:

• Більш гнучкий дизайн, що дозволяє архітектурі чіпа адаптуватися до навчальних даних.
• Значно менше споживання енергії, іноді лише 1/100^thпорівнянного графічного процесора.
• Менше тепловиділення допомагає вирішити зростаючу проблему охолодження, яка турбує передові центри обробки даних зі штучним інтелектом.

(Ти можеш Дізнайтеся більше про спеціалізоване обладнання для штучного інтелекту, включаючи нейронні процесори, у нашому спеціальному звіті.)

«Можливість розробляти мікрочіпи, що імітують реальну нейронну активність, означає, що вам не потрібно багато енергії для режиму очікування або коли машина не використовується».

Це те, що може стати величезною потенційною обчислювальною та економічною перевагою».

Джон ЛаРокко – науковий співробітник у галузі психіатрії в Медичному коледжі штату Огайо.

Наразі досліджується багато методів створення нейроморфних чіпів:

• Використовуйте початкову сегнетоелектрику, все ще погано вивчене явище.
• Активна підкладка з використанням ванадію або титану.
• Використання мемристорів, новий тип електронного компонента, який може виконувати завдання ШІ на 1/800^thвід нормального споживання електроенергії.

Як мемристори імітують синапси

Mемристори це електронні компоненти, які синапси, що з'єднують мімічні нейрони запам'ятовуючи, в який електричний стан вони переключилися після вимкнення живлення.

Це може значно зменшити втрати енергії та часу на передачу даних між процесорами та пам'яттю.

Однією з ключових переваг мемристорів є їхня здатність до ефективного та самоадаптивного навчання in situ, що є критично важливим для застосування в робототехніці та автономних транспортних засобах.

Більше того, низьке енергоспоживання мемристорів особливо корисне в робототехніці та автономних транспортних засобах, де енергоефективність має першорядне значення. Гібридні аналого-цифрові мемристорні системи можуть мінімізувати споживання енергії під час обробки даних без шкоди для швидкості реагування.

Проблема наразі полягає в тому, що створення електронних мемристорів спиралося на новітні технології з низькою продуктивністю та ненадійними електронними характеристиками через те, наскільки недавно розроблена ця технологія.

Використання справжніх нейронів, як-от органоїдів, також є варіантом, але нейрони насправді є дуже складними клітинами для роботи, оскільки вони відносно крихкі та їх важко вирощувати.

Але нейрони — не єдині біологічні тканини, здатні обробляти електричні сигнали та реагувати на них.

Однією з потенційних альтернатив є міцелій, тканина, з якої складаються звичайні гриби, тип організмів, відомий своєю надзвичайною міцністю. Їх можна вирощувати за допомогою простіших біореакторів та поживних культур, ніж ті, що потрібні для звичайних нейронів та нейронних органоїдів.

Будуємо грибні комп'ютери?

Грибкові матеріали демонструють провідні шляхи, які можуть динамічно формуватися під впливом електричних подразників, подібно до провідних ниток, що утворюються у звичайних мемристорах.

Ця адаптивність може призвести до покращення продуктивності в нейроморфних застосуваннях завдяки сприянню змінним станам опору, які імітують синаптичну поведінку точніше, ніж традиційні мемристивні матеріали.

Органічні матеріали також мають перевагу в ефективній роботі за нижчих напруг, зберігаючи при цьому стабільні характеристики перемикання, важливі для мемристорів, навіть нижчі, ніж для електронних мемристорів, які самі по собі набагато менш енергоємні, ніж традиційні обчислювальні компоненти.

Це може бути важливим для енергоефективних пристроїв для портативної електроніки та застосувань Інтернету речей, які можуть залежати від дуже низького енергоспоживання.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Чому їстівні гриби працюють для обчислювальної техніки

Для своїх експериментів дослідники використовували звичайні печериці, а також їстівні та лікарські гриби шиїтаке, обидва види яких добре вивчені та недорогі.

Раніше було показано, що гриби шиїтаке мають пористу вуглецеву структуру після активації. Ця пориста структура може покращити електрохімічні характеристики пристроїв, що робить їх придатними кандидатами для використання в системах накопичення енергії, включаючи суперконденсатори та, потенційно, мемристори.

Вони також дуже стійкі до радіації, що може бути корисним для таких застосувань, як аерокосмічна галузь, де електронні мікросхеми можуть бути пошкоджені іонізуючим випромінюванням, таким як ультрафіолетове випромінювання та сонячний вітер.

Електрична реакція грибків

Вчені з'єднали тестову грибкову масу після того, як її зневоднили.

джерело: PLoS ONE

Потім їх протестували в діапазоні напруг, форм хвиль та частот на предмет потенційних можливостей мемристорів.

Аналоговий сигнал, що відповідав, демонстрував сильні мемристивні характеристики, імітуючи в аналоговому режимі цифровий сигнал.

джерело: PLoS ONE

Загалом, спостережувана висока швидкість перемикання 5,850 Гц, точність 90% (± 1%), відносно низьке енергоспоживання, мала вага та стійкість до радіації, здається, роблять грибкові мемристори привабливими для периферійних обчислень, аерокосмічної галузі та вбудованих програмних засобів.

Однак точність знижувалася зі збільшенням частоти, тому не всі типи сигналів, ймовірно, можна було обробляти/обчислювати цим методом.

Слід також зазначити, що метод створює лише біорозкладні матеріали (харчовий шиїтаке вирощується на деревній трісці) і не вимагає рідкоземельних або токсичних матеріалів, на відміну від звичайних електронних чіпів.

Майбутній потенціал

Дослідження, проведене тут, було першим випробуванням і було обмежене двома способами:

• Випробування були відносно короткими, тривали лише 2 місяці. Тому довгострокову здатність грибкових мемристорів все ще потребує дослідження.
• Метод використовував масове виробництво, тоді як для фактичного застосування потрібна була б мікрокультура міцелію, вирощеного у спеціальному середовищі, що забезпечувало б набагато менші та набагато контрольованіші результати.

Тож це насправді лише доказ концепції, демонстрація того, що щось таке екзотичне, як грибкові обчислення, взагалі можливе та надійне.

Будь-який майбутній дизайн, ймовірно, передбачатиме використання більш послідовних методів культивування з використанням 3D-друкованих шаблонів та структур, які формують гриб шиїтаке у бажану геометрію.

Програмування також можна полегшити, додавши електричні контакти до структури культивування, надрукованої на 3D-принтері.

Зрештою, тривале використання вимагатиме консервації, яка може включати різноманітні методи, включаючи зневоднення, десикацію, ліофілізацію, деякі гідрогелі та спеціальні покриття.

Тим не менш, ідея розробки мемристорів виключно з органічних матеріалів, до того ж зі стійкого, дешевого та біорозкладного грибного матеріалу, є інтригуючою.

Інвестування в біодрук

BICO Group AB (BICO.ST)

З розвитком обчислювальної техніки на основі органічних речовин, 3D-друк живих тканин, ймовірно, стане дедалі більш використовуваним інструментом. Спочатку в дослідженнях, а потім і для фактичного виробництва пристроїв, що використовують цю технологію.

Одним із лідерів у цій галузі є Cellink, чиї машини використовуються для біодруку дослідниками по всьому світу.

джерело: Cellink

У 2021 році Cellink було перейменовано на BICO Group після придбання нею Цитена В 2019 і Scienion В 2020.

Cellink досі є брендом біодруку. Його також можна використовувати для створення 3D-тканин або органів на замовлення.Ви можете прочитати дискусію на цю тему в «3D-друк органів людини – наскільки це реалістично?").

Біодрук становить приблизно 1/5^th бізнесу, з сегмент автоматизації біологічних наук, включаючи візуалізацію біологічних зразків, роблячи більше 3/5^th доходів.

джерело: BICO Group AB

У довгостроковій перспективі компанії, що займаються біодруком, ймовірно, еволюціонують від надання інструментів дослідникам до постачальників фармацевтичних компаній, що займаються біодруком, для пацієнтів.

Це, у свою чергу, повністю змінить кількість біопринтерів, що використовуються, і, що ще важливіше, обсяг витратних матеріалів, що продаються щомісяця.

Це той самий процес, який відбувався для інших виробників біолабораторного обладнання, включаючи машини для секвенування геному від PacBio (ПАКБ) і Illumina (ILMN), які зрештою отримують 80% своїх доходів від регулярних продажів витратних матеріалів.

Оскільки група BICO не залежить виключно від цієї галузі, вона може продовжувати вдосконалювати технологію, доки не досягне критичної маси користувачів, водночас заробляючи гроші та розбудовуючи свою мережу збуту з біодослідниками, які працюють на інших, більш зрілих продуктах в галузі автоматизації біологічних наук.