Реконфігуровані комп'ютери, що працюють як ваш мозок

Інженери Індійського інституту науки нещодавно представили комп'ютерний чіп наступного покоління, здатний перемикатися між кількома обчислювальними завданнями, просто змінюючи свій хімічний склад. Новий дизайн використовує сигнали людського мозку, відкриваючи шлях для майбутніх систем штучного інтелекту, які не просто навчаються, а й мають вбудовані знання. Ось що вам потрібно знати.

Розкриття майбутнього обчислювальної техніки вимагає нестандартного мислення. Оскільки чіпи досягають теоретичної межі своїх конструкцій, необхідно налаштовувати нові підходи, щоб продовжувати розвивати обчислювальну потужність.

Виробництво чіпів

Коли йдеться про розробку швидших і менших мікросхем для живлення електронних пристроїв наступного покоління, кремній розглядається як провідний варіант. Цей поширений, дешевий напівпровідник забезпечує прийнятну рухливість носіїв заряду, що дозволяє йому діяти як ізолятор, так і провідник у поєднанні з іншими матеріалами та за умови пропускання струму.

Крім того, окислений кремній (кремнезем) можна вирощувати у тонких листах, що підтримують багатошарові схеми. Ця здатність зробила його ідеальним для використання в сучасній мікро- та наноелектроніці. Однак цей матеріал має деякі серйозні недоліки.

Обробка кремнію може бути небезпечною для навколишнього середовища через хімічні речовини, що містяться в ній. Крім того, вона обмежена у своїй здатності використовувати наноелектроніку. Пристрої з довжиною затвора менше 7 нм можуть зазнавати значних перешкод. Ці переривання можуть виникати з багатьох причин, включаючи витік сигналу та квантове тунелювання.

Наноелектроніка

Наноелектроніка – це наступний крок у мініатюризації. Ці пристрої, розміром менше 100 нм, настільки малі, що вони більш чутливі до квантової механіки, ніж до традиційної фізики. Ці взаємодії можуть призвести до змін на межі розділу та інших нелінійних реакцій через складність роботи в такому масштабі.

Нейроморфні обчислення

Коли ви зменшуєте схему до нанорозмірів, стає надзвичайно важко покладатися на механічні процеси для виконання завдань. Тому інженери звернулися до нейроморфних обчислювальних варіантів для зберігання інформації та виконання обчислень. Ці пристрої базуються на вашому мозку.

Нейроморфні комп'ютери використовують оксидні матеріали та ниткоподібне перемикання для виконання обчислювальних завдань. Ця структура просто зменшує поточний підхід до обчислень, щоб імітувати навчання. Ця стратегія відрізняється від створення пристрою, який за своєю суттю постачається з даними як частиною своєї природної структури.

Відповідно, вчені доклали багато зусиль для створення вдосконаленого матеріалу, здатного зберігати, обробляти та адаптуватися до даних, не змінюючи свою фізичну поверхню. Однак тонкощі створення такої структури залишаються нерозкритими.

Молекулярна електроніка

Це бажання створити ще менші та універсальніші машини спонукало інженерів-молекулярних електроніків спробувати задокументувати атомні взаємодії та квантові дії з кінцевою метою мати можливість передбачати ці результати з великою точністю.

Однак це завдання здавалося неможливим. Так було до цього місяця, коли команда вчених опублікувала новаторське дослідження, яке продемонструвало, як вони змогли надійно передбачати та контролювати ці дії.

Дослідження реконфігурованих комп'ютерів

Інженери та науковці з Центру нанонауки та інженерії (CeNSE) в Індії щойно переписали посібник з молекулярної електроніки, додавши «…Молекулярно-інженерні мемристори для реконфігурованих нейроморфних функцій¹” дослідження.

Джерело - нові матеріали

У статті об'єднані останні досягнення в галузі електротехніки, хімічної та фізичної інженерії для створення нанорозмірних пристроїв, які можуть змінювати свій хімічний склад для виконання кількох ролей, зокрема як блоки пам'яті, логічні вентилі, процесори або електронні синапси.

Адаптивні молекулярні пристрої

Успіх дослідження допомагає продемонструвати, як хімія може робити більше, ніж просто підтримувати обчислювальну діяльність, — вона може її забезпечувати. Крім того, ця адаптивність дозволяє одному й тому ж пристрою функціонувати як пам'ять, так і обчислювальний блок без додавання матеріалу чи зміни його фізичної форми.

Прогнозна структура

Одним із перших кроків, які мали зробити інженери, було створення способу прогнозування впливу хімічних змін на електричний транспорт. Зокрема, вони розробили алгоритм квантово-хімічного моделювання, який міг би точно відстежувати молекули під час їхнього руху через плівку.

Алгоритм включав багато інших відповідних даних, зокрема про те, як окислення та відновлення впливають на кожну молекулу та як вони взаємодіють відносно загальної молекулярної матриці. Ці дані потім використовувалися для визначення загальної стабільності молекул, реєструючи будь-які зміщення протиіонів у режимі реального часу.

Інженери, озброєні своїм прогностичним алгоритмом, почали використовувати поведінку перемикання, щоб передбачити, як трансформувати окремий пристрій, починаючи від сховища, обчислювальної діяльності тощо. Алгоритм дозволяє інженерам точно налаштувати локальне молекулярне середовище та міжмолекулярні взаємодії за допомогою органічних комплексів рутенію.

Мемристивні відповіді

Використовуючи алгоритм для керування своїми зусиллями, команда успішно програмно модулювала одну схему. Вражаюче, їм вдалося досягти кількох модальностей, включаючи цифрову, аналогову, двійкову та потрійну пам'ять.

Щоб виконати це завдання, їм довелося налаштувати ліганди та іони, що оточують молекули рутенію. Ця адаптивність була розширена, включивши різні значення провідності, які динамічно переналаштовують можливості твердотільного пристрою.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Тестування реконфігурованих комп'ютерів

Щоб перевірити свою теорію, вченим довелося створити спеціально розроблені рутенієві комплекси. Для цього дослідження їм вдалося створити 17 таких комплексів, що дозволило їм відстежувати незначні зміни в конфігурації молекул та іонних умовах.

Виготовленням пристрою керував Паллаві Гаур. Гаур повідомив, що пристрій міг перемикатися між зберіганням даних, обчисленням та реконфігурацією без суттєвих змін. Ця здатність робить його набагато ближчим до того, як працює ваш мозок, просуваючи науку про нейроморфні обчислення вперед.

Результати тестування реконфігурованих комп'ютерів

Результати випробувань підтвердили теорію інженера про те, що можливо поєднати пам'ять та обчислення в одному матеріалі. Вони також продемонстрували, як хімію можна використовувати для проведення обчислень, а не лише як доповнення до активних компонентів пристрою. Отже, ця робота об'єднує технології нанообчислювальної техніки та хімічної інженерії, щоб відкрити шлях для створення менших та потужніших квантових пристроїв.

Переваги реконфігурованих комп'ютерів

Дослідження реконфігурованих комп'ютерів виводить на ринок кілька переваг. По-перше, воно відкриває двері для нанорозмірної електроніки в новому масштабі. У минулому ці пристрої могли бути створені лише в дуже малих розмірах, перш ніж вся їхня надійність була втрачена. Той факт, що вони мали рухомі частини, унеможливлював визначення їхньої працездатності в нанорівні.

Цей новий підхід дозволяє твердотільному пристрою виконувати кілька обчислювальних завдань, таких як діяти як елемент пам'яті, логічний вентиль, селектор, аналоговий процесор або електронний синапс. Така гнучкість допоможе майбутнім інженерам розробляти більш потужні та легкі пристрої.

Менше втручання

Ця структура також зменшує перешкоди, спричинені квантовим тунелюванням та іншими проблемами, коли йдеться про пристрої молекулярного масштабу. Чим менший пристрій, тим більше на нього можуть впливати перешкоди від зовнішніх джерел. Якщо поєднати цей факт з мініатюризацією пристроїв, легко зрозуміти, чому більшість людей вважають цей підхід революційним.

Додана провідність

Ще однією важливою перевагою є додаткова провідність. Чистий кремній не є хорошим провідником чи ізолятором. Тому для покращення його продуктивності потрібно додавати прикметники та інші хімічні речовини. Ця нова конструкція забезпечує більшу надійність і може підтримувати набагато більшу провідність. Зокрема, вчені зафіксували покращення на шість порядків.

Реконфігуровані комп'ютери: реальні застосування та часова шкала

Кілька застосувань для реконфігурованих комп'ютерів можуть полегшити життя мільйонам людей. По-перше, вони зрештою будуть використовуватися в застосунках штучного інтелекту. Системи штучного інтелекту вимагають передачі величезних обсягів даних між пристроями та посиланнями.

Наразі існує мізерний розрив між обчислювальною логікою та пам'яттю, що призводить до затримки. Зі збільшенням обчислень ця затримка стає більшою, що призводить до уповільнення обчислень. Такий підхід усуне необхідність розділяти логіку, пам'ять та інші основні завдання, дозволяючи одному пристрою миттєво перемикатися на кожну з них за потреби.

Медичні прилади наступного покоління

Медицина — ще одна галузь, де ця технологія може суттєво змінити ситуацію. Імплантати та інші внутрішні блоки можна було б зробити меншими та з меншою кількістю рухомих частин. Такий підхід зробив би їх менш хиткими та за потреби забезпечив би місце для додаткової обчислювальної потужності.

Хронологія реконфігурованих комп'ютерів

Може пройти 7–10 років, перш ніж ви зіткнетеся з реконфігурованим комп’ютером. Ці пристрої спочатку з’являться у великих системах штучного інтелекту, що допоможе знизити їхні експлуатаційні витрати та підвищити ефективність. Однак, ще потрібно провести багато тестувань та розробок, а також знайти відповідного виробника, здатного виготовляти ці пристрої у великих масштабах.

Дослідники реконфігурованих комп'ютерів

Дослідження реконфігурованого комп'ютера було проведено командою дослідників з Індійського інституту науки. Дослідження очолив доцент Центру нанонауки та інженерії (CeNSE) Срітош Госвамі.

Розділи молекулярного синтезу дослідження були виконані Прадіпом Гхошем, членом Рамануджана та Санті Прасадом Ратом. У статті також зазначено, що серед авторів дослідження були Шайон Бхаттачарья, Лохіт Т., Харівігнеш С. та Деміен Томпсон.

Майбутнє реконфігурованих комп'ютерів

Дослідникам належить чимало роботи. Наразі вони досліджують, як інтегрувати цю технологію в сучасні стратегії виробництва CMOS-чіпів. Їхня головна мета — створювати пристрої з вбудованим інтелектом, що покращує продуктивність, стабільність та ефективність.

Інвестування в галузь обчислень у пам'яті

У секторі виробництва мікросхем є кілька компаній, які представляють цікаві інвестиційні можливості. Ці фірми спостерігають зростання попиту на свої інноваційні продукти, оскільки штучний інтелект та інші потужні обчислювальні системи продовжують ставати нормою. Ось один виробник, який залишається на передовій технології лиття мікросхем.

Технологія GSI (GSIT)

Хоча вищезгадане дослідження висвітлює майбутнє молекулярних обчислень, GSI Technology вже сьогодні комерціалізує кремнієву версію цієї концепції. GSI є розробником блоку асоціативної обробки (APU) – технології, яка фундаментально змінює спосіб обробки даних комп’ютерами, виконуючи обчислення безпосередньо. на місці в масиві пам'яті — концепція, відома як «обчислення в пам'яті» (CIM).

Ця архітектура вирішує ту саму проблему «вузького місця фон Неймана», згадану в дослідженні (затримка, спричинена розділенням логіки та пам'яті). Усуваючи необхідність переміщення даних між процесором та оперативною пам'яттю, APU GSI Gemini® забезпечує значне прискорення для робочих навантажень штучного інтелекту та пошуку.

Нещодавні бенчмарки, перевірені Корнельським університетом, підтвердили, що APU GSI може зрівнятися з продуктивністю графічних процесорів вищого рівня (таких як NVIDIA A6000) для виконання певних завдань штучного інтелекту, споживаючи при цьому приблизно на 98% менше енергії.

Штаб-квартира GSI Technology знаходиться в Саннівейлі, Каліфорнія, а акції компанії торгуються на фондовій біржі NASDAQ. Її радіаційно-стійкі продукти пам'яті вже є основним продуктом в аерокосмічному та оборонному секторах, забезпечуючи стабільну базу доходів, оскільки компанія розгортає свої передові чіпи штучного інтелекту для ширшого ринку.

Тим, хто шукає «чисту гру» в майбутньому обчислень, орієнтованих на пам'ять, яку котирується на Північній Америці, варто дослідити технологію GSI. Вона являє собою практичний місток між традиційним кремнієм та майбутнім «вбудованого інтелекту», яке уявляють дослідники.

Останні новини та продуктивність GSI Technology (GSIT)

Реконфігуровані комп'ютери | Висновок

Можливість створювати реконфігуровані комп'ютери змінює все. У майбутньому ваші пристрої можуть стати надзвичайно надійними та довговічними, оскільки всі рухомі частини будуть замінені хімічними взаємодіями. Крім того, ця можливість відкриває шлях для набагато менших та складніших конструкцій, які не залежать від механічних компонентів, а радше від органічних хімічних реакцій.

Усі ці фактори та інші роблять дослідження реконфігурованого комп'ютера революційним, що має потенціал започаткувати нову еру обчислень та інтеграції штучного інтелекту. Таким чином, ця робота викликає великий інтерес. Наразі команда зосередиться на оптимізації виробничих процесів та зниженні виробничих витрат і складності.

Дізнайтеся про інші цікаві обчислювальні розробки тут.

Посилання

^{1. Гаур, П., Кунду, Б., Гхош, П., Бхаттачарья, С., Т., Л., С., Х., Рат, С.П., Томпсон, Д., Госвамі, С. та Госвамі, С. Молекулярно-інженерні мемристори для реконфігурованих нейроморфних функцій. Сучасні матеріали, e09143. https://doi.org/10.1002/adma.202509143}