تحول محاسبات با مدار‌های الهام‌گرفته از مغز

گروهی از محققان به رهبری وو بین یونگ، فیزیکدان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پاولسون (SEAS) در مقاله‌ای که از نتایج کارشان منتشر شده است، بیان کرده‌اند: «مدار‌های یونی در محلول‌های آبی درصدد استفاده از یون‌ها به‌عنوان حامل‌های بار برای پردازش پیام هستند. در این مطالعه ما موفق به معرفی نوعی مدار یونی آبی شده‌ایم. این آزمایش مدار یونی کاربردی که قادر به محاسبه قیاسی (آنالوگ) است، گامی به‌سوی مدار‌های یونی پیچیده‌تر است.»

بخش عمده‌ای از انتقال پیام در مغز، مربوط به حرکت مولکول‌های باردار یا همان یون‌ها از طریق محیطی مایع است. اگرچه شبیه‌سازی قدرت پردازش باورنکردنی مغز بسیار چالش‌برانگیز است. دانشمندان تصور می‌کنند احتمالا به سازوکار مشابهی که ممکن است مغز برای محاسبات به کار ببرد، دست یافته‌اند؛ انتقال یون‌ها با کمک محلول آبی. این روش کندتر از محاسبات معمولی مبتنی بر سیلیکون است، اما مزایایی هم دارد. برای مثال، یون‌ها را می‌توان از طیف وسیعی از مولکول‌ها، که هرکدام دارای خواص متفاوتی هستند ایجاد کرد و برای کارایی‌های متفاوتی به کار برد.

این همان چیزی است که یونگ و همکارانش روی آن کار کرده‌اند. اولین گام، طراحی نوعی ترانزیستور یونی کاربردی بود، دستگاهی که پیام را تغییر دهد یا تقویت کند. سپس موفق به تولید نوعی مدار یونی شدند که شامل ترکیب صد‌ها ترانزیستور که با هم کار می‌کنند به‌عنوان یک ترانزیستور بود.

ترانزیستور متشکل از نوعی آرایش «نقطه مرکزی» (bullseye) از الکترودها، با الکترود کوچک دیسکی‌شکلی در مرکز و دو الکترود حلقه‌ای هم‌مرکز در اطراف آن است، که به محلول آبی مولکول‌های کینون متصل است.
ولتاژ اعمال‌شده به دیسک مرکزی جریانی از یون‌های هیدروژن را در محلول کینون تولید می‌کند. سپس دو الکترود حلقه، pH محلولی که به سمت دریچه می‌رود را با افزایش یا کاهش جریان یونی تنظیم می‌کند. این ترانزیستور، ضرب فیزیکی پارامتر «وزن» تنظیم‌شده توسط جفت حلقه راهور با ولتاژ دیسک را انجام می‌دهد و پاسخی را به‌عنوان جریان یونی تولید می‌کند. با وجود این، شبکه‌های عصبی کاملا بر نوعی عملیات ریاضی به نام ضرب ماتریس متکی هستند که شامل ضرب‌های متعدد است. بنابراین، این تیم آرایه‌های ۱۶در۱۶ ترانزیستور‌های خود را طراحی کردند که هرکدام قادر به ضرب حسابی هستند تا مداری یونی تولید کنند که بتواند ضرب ماتریس را انجام دهد.

یونگ می‌گوید: «ضرب ماتریس متداول‌ترین محاسبه در شبکه‌های عصبی برای هوش مصنوعی است. مدار یونی ما، ضرب ماتریس را در آب به روش قیاسی (آنالوگ) انجام می‌دهد که کاملا براساس ساختار الکتروشیمیایی است.»

البته محدودیت‌های قابل‌توجهی برای این فناوری وجود دارد. ۱۶جریان را نمی‌توان به‌طور جداگانه برقرار کرد، به این معنی که عملیات باید به‌صورت متوالی انجام شود و نه همزمان، که به‌طور قابل‌توجهی سرعت یک فناوری، که به خودی خود کند بود را کاهش می‌دهد.

بااین‌حال، موفقیت این مدار گامی به‌سوی محاسبات یونی پیچیده‌تر است؛ تنها با فهمیدن مسأله است که می‌توانیم راه‌حل پیدا کنیم. گام بعدی، معرفی طیف وسیع‌تری از مولکول‌ها به سیستم خواهد بود تا مشخص شود آیا مدار خواهد توانست به این ترتیب اطلاعات پیچیده‌تری را پردازش کند یا خیر. یونگ می‌گوید: «تاکنون از سه چهار گونه یونی مانند یون‌های هیدروژن و کینون استفاده کرده‌ایم تا بازشدن دریچه و انتقال یونی را در ترانزیستور یونی آبی میسر کنیم. استفاده از گونه‌های یونی متنوع‌تر و این‌که چگونه می‌توانیم آن‌ها را برای غنی‌سازی محتوای اطلاعاتی که باید پردازش شود به کار ببریم، شگفت‌انگیز خواهد بود.»

این تیم خاطرنشان می‌کند که هدف نهایی، رقابت یا جایگزینی فناوری الکترونی با یونی نیست، بلکه شاید تکمیل آن، در قالب فناوری هیبریدی با قابلیت‌های هر دو است. نتایج این پژوهش پیشگامانه در نشریه علمی «مواد پیشرفته» (Advanced Materials) منتشر شده است.

روزنامه جام جم