Wissenschaftler orientieren sich bei der Entwicklung ionischer Mikroprozessoren, die sich im Vergleich zu herkömmlichen halbleiterbasierten Prozessoren als besonders energieeffizient erweisen könnten, an den eigenen Entwürfen der Natur.
Wie veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffeein Forscherteam der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Harvard, in Zusammenarbeit mit einem Biotech-Startup DNA-Skripthaben einen ionischen Schaltkreis entwickelt, der aus Hunderten von ionischen Transistoren besteht. Sie haben darin sogar einen Kernprozess des Neural Net Computing durchgeführt – Wetware wird immer weniger zu einem Sci-Fi-Schlagwort.
Das Design ionischer Prozessoren zielt darauf ab, Erkenntnisse aus den Verarbeitungssystemen der Biologie – insbesondere Gehirne – zu nutzen, um Prozessoren zu schaffen, die Elektrochemie anstelle von Elektrizität verwenden, um Berechnungen durchzuführen. Die Forschung betrachtet ionische Prozessoren als eine wahrscheinliche Technologie, die in Zukunft entwickelt und skaliert werden kann, wo ihre energieeffizienten Designs für bestimmte Einsatzszenarien wertvoll sein könnten.
Für die Technologie ist es noch früh, denn die Forscher haben gerade die erste Leiterplatte montiert, die tatsächlich Hunderte von ionischen Transistoren enthielt – bisher waren nur einzelne ionische Transistoren gezeigt worden. Die Forschung ebnet somit den Weg für die eigentlichen Prozessoren, die durch den Betrieb von Hunderten – Tausenden oder sogar Millionen – von ionischen Transistoren im Tandem entstehen.
Der ionische Schaltkreis des Forschers entstand aus der Multiplikation der Anzahl einzelner ionischer Transistoren, die zusammen arbeiten können. Ihr ionisches Transistordesign besteht aus einer wässrigen Lösung von Chinonmolekülen, die mit zwei konzentrischen Ringelektroden (blau und rot) und einer dritten (gelben) Scheibenelektrode in der Mitte verbunden sind und im Wesentlichen ein bullseye-ähnliches Transistordesign bilden.
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Indem Spannung durch den Transistor geleitet wird, können die beiden konzentrischen Ringelektroden den pH-Wert des Wassers lokal einstellen, indem sie die Menge der darin vorhandenen Wasserstoffionen erhöhen oder verringern. Diese Änderung, eine Meisterleistung der Elektrochemie, ermöglicht die Verwendung des Ionenstroms des Transistors als Ein- und Ausschalter – bekannt als Tor, in den Transistoren, von denen wir zu hören gewohnt sind. Dieses Gating des Ionenstroms durch Änderungen des pH-Werts des Transistors schaltet die Fähigkeit der Transistoren frei, binäre Informationen zu verarbeiten.
Die Forscher stimmten ihr Mikroprozessordesign weiter ab und platzierten diese analogen Transistoren (die eine 0 oder eine 1 darstellen können) in einem 16 x 16-Matrix-Grid-Array. Dies ermöglichte es dem ionischen Prozessor, Matrixmultiplikationsaufgaben auszuführen, was ihn näher an die Fähigkeiten eines neuronalen Netzwerks heranbrachte und seinen Wert für Verarbeitungsszenarien mit künstlicher Intelligenz erhöhte, die möglicherweise sehr spezifische Leistungs-/Leistungsgleichgewichtsanforderungen erfordern.
„Matrixmultiplikation ist die am weitesten verbreitete Berechnung in neuronalen Netzen für künstliche Intelligenz“, sagte Woo-Bin Jung, Postdoktorand bei SEAS und Erstautor der Arbeit. „Unser Ionenschaltkreis führt die Matrixmultiplikation in Wasser auf analoge Weise durch, die vollständig auf elektrochemischen Maschinen basiert.“
Der Nachteil ist, dass sie langsamer sind – aber im Vergleich zu Licht ist alles. Die Forscher hoffen nun, ihre ionischen Prozessoren weiterzuentwickeln, indem sie ihnen ermöglichen, eine größere Anzahl elektrochemischer Reaktionen zu nutzen, wie z. B. die Erhöhung der Arten von Ionen, die manipuliert werden, um Informationen zu verarbeiten. Die Forscher dürfen sich noch darauf freuen, weitere Funktionen in diese Systeme zu programmieren.
Dies, gepaart mit der Erhöhung der Anzahl verfügbarer Transistoren, sollte für Leistungsvorteile sorgen und gleichzeitig ionische Prozessoren für vielfältigere Aufgaben und tatsächliche spezifische oder allgemeine Datenverarbeitung öffnen.
„Bisher haben wir nur 3 bis 4 Ionenarten wie Wasserstoff- und Chinonionen verwendet, um das Gating und den Ionentransport im wässrigen Ionentransistor zu ermöglichen“, sagte Jung. „Es wird sehr interessant sein, vielfältigere ionische Spezies einzusetzen und zu sehen, wie wir sie nutzen können, um den Inhalt der zu verarbeitenden Informationen reichhaltiger zu machen.“