دانشمندان در دستاوردی مهم تراشه مبتنی‌بر آب تولید کردند

به‌نوشته‌ی تامز هاردور، دانشمندان با رجوع به طبیعت سراغ تولید ریزپردازنده‌های یونی رفته‌اند و می‌گویند چنین ریزپردازنده‌هایی درمقایسه‌با پردازنده‌های معمولیِ مبتنی‌بر قطعات نیمه‌هادی از نظر مصرف انرژی بهره‌وری بسیار بیشتر خواهند داشت.

گروهی از پژوهشگران در دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی جان پالسون در دانشگاه هاروارد با همکاری استارتاپ DNA Script (فعال در حوزه‌ی زیست‌فناوری)، یک مدار یونی تولید کرده‌اند که متشکل‌ از صدها ترانزیستور یونی است. دانشمندان حتی محاسبات شبکه‌ی عصبی را نیز ازطریق این تراشه پردازش کرده‌اند.

در فرایند تولید پردازنده‌های یونی، از دانسته‌هایمان درباره‌ی سیستم‌های پردازش زیست‌محیطی و به‌ویژه مغز استفاده می‌کنیم تا تراشه‌هایی بسازیم که به‌منظور انجام محاسبات پردازشی، به‌جای الکتریسیته از الکتروشیمی استفاده می‌کنند. تحقیقات می‌گویند پردازنده‌های یونی یکی از بخش‌های مهم آینده‌ی انسان را تشکیل می‌دهند و بهره‌وری انرژی آن‌ها باعث می‌شود چنین پردازنده‌هایی در سناریوهای خاصی بسیار کاربردی باشند.

فناوری پردازنده‌های یونی در مراحل اولیه به‌سر می‌برد و دانشمندان فعلاً موفق شده‌اند مداری تولید کنند که صرفاً چندصد ترانزیستور یونی دارد. این در حالی است که تراشه‌های عادی از میلیاردها ترانزیستور میزبانی می‌کنند. تولید مدار یونی جدید اتفاق مهمی است؛ چون تا پیش از ساخت این مدار صرفاً ترانزیستورهای یونی را به‌صورت منفرد دیده بودیم. پژوهش اخیر راه را برای ساخت پردازنده‌های قوی‌تر مبتنی‌بر ترانزیستورهای یونی همواره می‌کند؛ پردازنده‌هایی که میزبان هزاران یا حتی میلیون‌ها ترانزیستور باشند.

تراشه‌ی CMOS (در سمت چپ) با آرایه‌ای (در وسط) از صدها ترانزیستور یونی منفرد (در سمت راست)

پژوهشگران می‌گویند مدار یونی را ازطریق چندبرابرکردن تعداد ترانزیستورهای مجزایی تولید کرده‌اند که توانایی همکاری با یکدیگر دارند. ترانزیستور یونی تولیدشده‌ی پژوهشگران شامل نوعی محلول آب‌دار از مولکول‌های کینون است که با دو الکترود حلقه‌ایِ متحدالمرکز (به رنگ‌های آبی و قرمز) ارتباط دارند. الکترود دیسکی مرکزی که سومین الکترود است، به رنگ زرد دیده می‌شود.

با عبوردادن ولتاژ از داخل ترانزیستور، دو الکترود حلقه‌ای متحدالمرکز به‌صورت موضعی می‌توانند pH آب را ازطریق افزایش یا کاهش تعداد یون‌های هیدروژنِ حاضر در آن تغییر دهند. این تغییر که در چهارچوب علم الکتروشیمی توصیف می‌شود، به پژوهشگران امکان می‌دهد جریان یونی ترانزیستور را به‌عنوان کلید روشن و خاموش یا در اصطلاح علمی به‌عنوان دروازه استفاده کنند. در‌نهایت، این روند به پردازنده‌ی یونی کمک می‌کند تا اطلاعات باینری را پردازش کند.

ووبین جانگ، از اعضای دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی جان پالسون در دانشگاه هاروارد و نویسنده‌ی اول مقاله‌ی علمیِ مربوط به پردازنده‌ی یونی، می‌گوید ضرب ماتریسی رایج‌ترین نوع پردازش در شبکه‌های عصبی مرتبط به هوش مصنوعی است. او می‌افزاید: «مدار یونی ما پردازش ضرب ماتریسی را در آب به شیوه‌ای آنالوگ و بر پایه‌ی دستگاه‌های الکتروشیمیایی انجام می‌دهد.»

مشکل پردازنده‌های یونی، کُندتر‌بودن آن‌ها از پردازنده‌های مرسوم است. پژوهشگران امیدوار‌‌‌ند که در‌‌ادامه‌ی مسیر به پردازنده‌های یونی کمک کنند تا از تعداد بیشتری واکنش الکتروشیمیایی استفاده کنند. همچنین، آنان می‌کوشند سیستم‌های متشکل‌ از پردازنده‌ی یونی را پیشرفته‌تر و پرکاربردتر کنند. افزایش تعداد ترانزیستورها نیز می‌تواند قدرت پردازشی پردازنده‌ها را بیشتر کند. ووبین جانگ می‌گوید او و اعضای تیمش تاکنون تنها از سه تا چهار نوع یون نظیر یون هیدروژن و کینون استفاده کرده‌اند و قصد دارند در آینده تنوع یون‌ها را بیشتر کنند.