Powstaną komputery bez pamięci i procesora, które będą działały jak ludzki mózg? To możliwe, twierdzą naukowcy

Komputery mają piętę achillesową. Bezustannie przerzucają dane z pamięci do procesora i z powrotem. Czy można tego uniknąć i wielokrotnie przyspieszyć ich pracę? Można, ale trzeba wymyśleć komputery na nowo. Być może stajemy się tego świadkami.

Niezależnie, czy to nasz stary laptop, czy najnowszy superkomputer, wszystkie obciążone są pewnym pierworodnym grzechem. Polega na tym, że komputery bezustannie przenoszą dane z pamięci operacyjnej do procesora, a po wykonaniu obliczeń – z powrotem do pamięci. To tak zwane „wąskie gardło von Neumana” znacząco ogranicza ich możliwości. Nawet najszybszy procesor, by wykonać operacje, musi otrzymać najpierw dane, a zanim je dostanie, stoi bezczynny.

Jednak ewolucja poradziła sobie z tym problemem już miliony lat temu, wynajdując układy nerwowe. Neurony, które je tworzą, służą jednocześnie jako pamięć i procesor. Mogą przechowywać dane i je przetwarzać.

Czy jest jakaś rada na „klątwę von Neumana”? Tak. Teoretycznie można wyobrazić sobie elektroniczne elementy, które (podobnie jak neurony) jednocześnie przechowują informację i ją przetwarzają. To memrystory. Angielska nazwa pochodzi od skrótu słów „memory resistor”, co po polsku tłumaczy się czasem jako „opornik z pamięcią”. Taką nazwę nadał im Leon Chua, który opisał je w roku 1971.

Memrystory działają jak przełączniki napięcia, które pamiętają, czy zostały włączone, czy wyłączone, gdy prąd zanika. Przypominają w tym synapsy neuronów, w których sygnały stają się mocniejsze lub słabsze w zależności od tego, jaki ładunek elektryczny przez nie przepływał w przeszłości.

W poszukiwaniu memrystorów

W latach 70. XX wieku istniały już komputery oparte na tranzystorach, a era komputerów biurowych właśnie się rozpoczynała. Niewiele było powodów, by memrystory konstruować. Zainteresowanie nimi przyniósł dopiero przełom wieków.

Budowanie takich elementów okazało się jednak sporym wyzwaniem. Większość wymaga specjalnych materiałów i działa tylko w ściśle określonych warunkach. Na przykład istniejące dziś memrystory z dwutlenku niobu i wanadu do pewnej temperatury są izolatorami, a powyżej niej przewodnikami. Nie ułatwiłoby to ich praktycznych zastosowań – trudno sobie wyobrazić zbudowany z nich komputer.

Z tych powodów memrystory do dziś pozostawały raczej laboratoryjną ciekawostką. Ale to się powoli zaczyna zmieniać.

Żelazo i trzy cząsteczki organiczne tworzą nowy memrystor

Nieoczekiwanym kierunkiem okazały się związki metaloorganiczne – takie, w których atom metalu związany jest z cząsteczkami węgla i wodoru. Prof. Sreebrata Goswami z Indyjskiej Akademii Nauk odkrył, że cząsteczki zbudowane z trzech łańcuchów fenylazopirydyny i atomu żelaza mogą zachowywać się jak memrystory.

Atom żelaza w takim kompleksie ma istotną właściwość – może występować w siedmiu stanach utlenienia. W teorii oznacza to siedem różnych stanów obliczeniowych, podczas gdy w klasycznym, krzemowym tranzystorze są tylko dwa: zero i jeden.

Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze (NSU) skonstruowali cienkie układy takich cząsteczek zaledwie 40-nanometrowej grubości. W dalsze badania zaangażowały się irlandzki Uniwersytet w Limerick, amerykański Texas A&M University oraz Laboratorium Badań Sztucznej Inteligencji firmy Hewlett Packard w Kolorado.

Nasze urządzenie robi coś podobnego, co mózg

W pracy opublikowanej właśnie w „Nature” międzynarodowy zespół wykazuje, że zbudowane z takich metaloorganicznych cząstek układy mogą wykonywać stosunkowo złożone obliczenia w jednym kroku. Można je też przeprogramować, by w kolejnym wykonywały inne obliczenie.

– Było to dość niezwykłe. Nasze urządzenie robiło coś podobnego do tego, co robi mózg, ale w całkiem inny sposób – mówi dr Sreetosh Goswami z NSU. – Gdy się uczymy albo podejmujemy decyzje, mózg się zmienia. Podobnie, możemy przeprogramować nasze układy przez zastosowanie napięcia, które przez nie już wcześniej przepływało.

Na razie czujniki. Z czasem być może bardziej podobne do mózgów komputery

Układy takie usuwają „wąskie gardło von Neumanna”, bowiem jednocześnie mogą przechowywać i przetwarzać dane. To daje olbrzymie oszczędności energii na przesyłaniu danych w tę i z powrotem do procesora. Pozwala też na przyspieszenie obliczeń. Badacze dodają, że do wykonania pracy obliczeniowej, którą może wykonać jeden stworzony przez nich układ, potrzeba by tysięcy klasycznych tranzystorów.

– Bardzo jesteśmy tymi możliwościami podekscytowani, bo układy przetwarzają informacje jak mózg. Po pierwsze, identyczne cząsteczki-procesory tworzą sieć i pracują równolegle. Co ważniejsze jednak, wykazują redundancję, czyli mogą rozwiązywać problemy [obliczeniowe], nawet gdy ich pojedyncze elementy nie działają doskonale albo tak samo za każdym razem. Są też programowalne – mówi prof. Damien Thompson z Uniwersytetu w Limerick.

Jest to, jak piszą badacze, obiecująca technologia. Przy niewielkim poborze mocy może wykonywać złożone obliczenia. Na razie będzie można ją wykorzystać wszędzie tam, gdzie istotna jest oszczędność energii, na przykład w czujnikach. Z czasem może powstaną zaś oparte na niej komputery – które nie będą tracić czasu (ani prądu) na przenoszenie danych z pamięci do procesora (i odwrotnie).

Źródło: Texas A&M University, University of Limerick, Nature