Группа исследователей из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) разработала ионный процессор, состоящий из сотен ионных транзисторов. На нем удалось запустить процесс вычислений нейронных сетей. Цель ученых - разработать вычислительный аналог работы мозга, не уступающий мозгу в энергоэффективности.
Микропроцессоры в смартфонах, компьютерах и центрах обработки данных обрабатывают информацию, манипулируя электронами в твердых полупроводниках, но у нашего мозга другие методы. Мозг обрабатывает информацию, управляя ионами в жидкости. И его энергоэффективность выше на много порядков.
Вдохновленные мозгом, исследователи давно стремятся разработать «ионику» в водном растворе. Хотя ионы в воде движутся медленнее, чем электроны в полупроводниках, ученые считают, что управление ионами различных молекул с различными физическими и химическими свойствами можно использовать для более богатой и разнообразной обработки информации.
Однако ионные вычисления все еще находятся в начальной стадии. На сегодняшний день лаборатории разработали только отдельные диоды и транзисторы, но до сих пор никто не собирал много таких устройств в более сложную схему для вычислений.
Группа исследователей из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) в сотрудничестве с биотехнологическим стартапом DNA Script разработала ионную схему, состоящую из сотен ионных транзисторов, и запустила процессы вычислений нейронных сетей. На ионном процессоре удалось реализовать матричное умножение с энергоэффективностью гораздо большей, чем у обычного полупроводникового процессора.
Ионный микропроцессор
Исследователи начали с создания ионного транзистора нового типа. Он состоит из водного раствора молекул хинона, сопряженного с двумя концентрическими кольцевыми электродами и центральным дисковым электродом, наподобие яблочка (на рисунке эта схема - справа).
Два кольцевых электрода электрохимически снижают и регулируют локальный pH (концентрация ионов водорода) вокруг центрального диска, производя и улавливая ионы водорода. Напряжение, прикладываемое к центральному диску, вызывает электрохимическую реакцию, в результате которой ионный ток поступает от диска в воду. Скорость реакции можно увеличить или уменьшить, увеличив или уменьшив ионный ток, настраивая локальное значение pH. Другими словами, pH контролирует (открывает) ионный ток диска в водном растворе, создавая ионный аналог электронного транзистора.
Ученые разработали ионный транзистор с регулируемым pH таким образом, что ток от диска представляет собой арифметическое произведение напряжения на диске и параметра «веса», представляющего локальный pH, управляющий транзистором. Они организовали эти транзисторы в массив 16 × 16, чтобы преобразовать аналоговое арифметическое умножение отдельных транзисторов в аналоговое матричное умножение. При этом массив локальных значений pH служит матрицей весов, необходимой для реализации нейронной сети.
Элементарной операцией, которую реализует ионный микропроцессор, является не сложение или умножение двоичных чисел, как в обычных полупроводниках, а матричное умножение.
«Матричное умножение является наиболее распространенным вычислением в нейронных сетях для искусственного интеллекта», — сказал Ву-Бин Юнг, ведущий автор статьи. — «Наша ионная схема выполняет матричное умножение в воде аналоговым способом, который полностью основан на электрохимическом механизме».
Хотя ионная схема не такая быстрая, как цифровые микропроцессоры, электрохимическое умножение матриц может быть гораздо более энергоэффективным. Это пока главный выигрыш ионного чипа.
Теперь команда стремится обогатить химическую сложность системы, используя самые разные ионы. Здесь выбор огромный. В отличие от обычных процессоров, у которых есть только электрон.