Сучасні мікропроцесори, що є серцем сучасних смартфонів та комп’ютерів, обробляють інформацію, керуючи рухом потоків електроном, що переміщуються у середовищі твердих напівпровідникових матеріалів. Однак, мізки живих істот, що є біологічними комп’ютерами, працюють на інших принципах, в них інформація обробляється шляхом переміщення іонів у рідкому середовищі, що заповнює об’єм нейронів та синапсів.
Різні групи вчених вже досить давно намагаються розробити принципи іонних обчислень у рідкому середовищі. Звичайно, іони набагато масивніші й вони рухаються набагато повільніше, ніж електрони в напівпровідниках. Однак, розчини можуть містити велику кількість іонів різних хімічних елементів, що мають різні фізичні та хімічні властивості, що дозволить реалізувати більш складну обробку інформації за один умовний раз.
Область іонних обчислень перебуває зараз у початковій стадії. У кількох лабораторіях вже були створені примітивні пристрої, іонні аналоги діодів і транзисторів, але нікому до останнього часу не вдавалося поєднати безліч подібних пристроїв в одну схему, що функціонує.
Але нещодавно дослідники зі Школи технічних та прикладних наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) Гарвардського університету та біотехнологічної компанії DNA Script створили першу іонну схему, до складу якої входять сотні іонних транзисторів та виконує функції примітивної штучної нейронної мережі.
Основою нового устрою став іонний транзистор вельми незвичайної структури. Він складається з двох електродів, з’єднаних з концентричними кільцевими електродами та центральним дископодібним електродом. Все це поміщено у водний розчин із молекулами хінону. Два кільцеподібні електроди, заманюючи у свою пастку іони водню, регулюють рівень pH з двох сторін дискового електрода. Якщо не вдаватися глибоко в подробиці електрохімії процесів, що відбуваються, можна сказати, що різниця між рівнями pH визначає величину іонного струму через пристрій, роблячи його іонним аналогом електронного транзистора.
Іонні транзистори були сформовані у вигляді матриці 16 на 16 та їх з’єднання дозволили реалізувати функції аналогового арифметичного множення матриць та множення матриць вагових коефіцієнтів, що використовується при побудові традиційних нейронних мереж.
“Множення матриць – це найпоширеніший вид обчислень у нейронних мережах, що є основою штучного інтелекту” – пишуть вчені, – “Наш іонний чіп виконує подібне множення у водному середовищі суто аналоговим чином, що базується виключно на електрохімічних процесах. Звичайно, іонні аналогові обчислення ще не можуть забезпечити таку швидкість і точність, як цифрові мікропроцесори, однак вони виконуються без будь-якої участі програм і вимагають незрівнянно меншої кількості енергії.
Надалі вчені планують значно збільшити “хімічну складність” іонної обчислювальної системи. “Досі ми використовували лише 3-4 різновиди іонів, включаючи іони водню та іони хінону, для забезпечення управління та перенесення зарядів усередині іонного транзистора” – пишуть вчені, – “Але якщо ми будемо використовувати більш різноманітні іони, то ми зможемо одночасно оперувати великою кількістю інформації та виконувати її більш складну паралельну обробку”. Джерело