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