В популярной художественной литературе и кинематографическом воплощении научной фантастики часто фигурируют вычислительные системы будущего, наделенные авторами широким спектром новых характеристик — от колоссальной производительности до высоких антропоморфных качеств. Примером такого подхода служит параноидальное состояние искусственного интеллекта HAL 9000 в цикле произведений Артура Кларка «Космическая одиссея». Тем не менее, предметом настоящего исследования являются не когнитивные способности машин будущего, а особенности их физической архитектуры. В частности, рассматривается гипотеза о возможности отказа от кремниевой основы в пользу жидкостных вычислительных структур. Данная проблема составляет центральную тему нашего сегодняшнего анализа. В начале рассмотрим общие вопросы проблемы, которая связанна с тем, что современная микроэлектроника приближается к своему физическому пределу, т.к. согласно закону Мура больше не удается обеспечивать экспоненциальный рост производительности кремниевых чипов. Поэтому, в качестве альтернативы ученые рассматривают жидкие вычислительные структуры.

Переход от твердотельных полупроводников к химическим и биологическим растворам обещает переворот в энергоэффективности, создании самовосстанавливающихся систем и биосовместимых компьютеров.

Кремниевый тупик и рождение новой парадигмы

Более полувека закон Мура исправно служил дорожной картой для технологического прогресса. Однако уменьшать транзисторы бесконечно невозможно: на масштабах в несколько ангстрем в силу вступают законы квантовой механики. Кремниевые затворы начинают «протекать» из-за квантового туннелирования, а колоссальное выделение тепла требует сложных систем охлаждения.

Человеческий мозг при этом работает на частоте всего в несколько десятков герц, потребляет около 20 ватт (как слабая лампочка) и с легкостью решает задачи распознавания образов и контекстного анализа, которые «кремнию» даются ценой огромных энергозатрат. Секрет мозга — в его жидкой, ионной природе. Именно это вдохновило ученых на гипотезу: что, если полностью отказаться от кремниевой подложки и перенести вычисления в жидкую фазу?

Архитектура жидкого компьютера: как это работает?

В привычном нам процессоре информация — это поток электронов, бегущий по медным или золотым дорожкам между кремниевыми транзисторами. В жидкостных структурах логические единицы и нули могут кодироваться совершенно иначе. Сегодня развиваются три ключевых направления:

[ Жидкостные вычисления ]
       │
       ├─► Ионные транзисторы (Перенос заряженных атомов в растворах)
       ├─► Химические волны (Реакция Белоусова-Жаботинского)
       └─► ДНК-вычислители (Молекулярное программирование и ферменты)

1. Микрофлюидика и ионные транзисторы

Вместо электронов здесь используются ионы (заряженные атомы солей). По крошечным каналам (микрофлюидным чипам) текут растворы. Роль транзисторов выполняют гидродинамические переключатели или мембраны, меняющие свою проницаемость под воздействием электрического поля или изменения концентрации веществ.

2. Химические процессоры (Реакция Белоусова-Жаботинского)

В таких системах вычисления происходят за счет периодических химических реакций, распространяющихся в виде волн. Сталкиваясь друг с другом в жидкой среде, эти волны могут гасить друг друга или усиливать, что позволяет моделировать сложные логические вентили (AND, OR, NOT) без единого провода.

3. ДНК-компьютинг

Здесь носителем информации выступает сама молекула ДНК, а «процессором» — ферменты. В одной пробирке с раствором могут одновременно происходить триллионы химических реакций. Это обеспечивает колоссальный параллелизм вычислений, недоступный классическим суперкомпьютерам.

Сравнительный анализ: Кремний vs. Жидкость

Главные технологические вызовы

Переход на «мокрые» вычисления — задача не из легких. Перед учеными стоят серьезные фундаментальные проблемы:

• Скорость (Тактовая частота): Ионы и молекулы в растворе движутся значительно медленнее, чем электроны в твердом теле. Жидкостный компьютер вряд ли сможет соревноваться с кремниевым в скорости обработки одиночного потока данных (например, в видеоиграх).
• Диффузия и шум: В жидкости молекулы стремятся перемешаться (броуновское движение). Удерживать четкие границы сигналов в микроканалах на протяжении долгого времени — сложнейшая гидродинамическая задача.
• Испарение и стабильность: Жидкие среды требуют герметизации и строгого контроля химического баланса, кислотности (pH) и температуры.

Где жидкие компьютеры заменят кремний?

Гипотеза отказа от кремния не означает, что наши смартфоны завтра станут наполнены водой. Скорее, речь идет о разделении сфер влияния. Жидкостные структуры займут ниши, где кремний бессилен:

1. Медицина и киборгизация: Биосовместимый компьютер внутри человеческого тела. Жидкий чип сможет плавать в кровотоке, анализировать биомаркеры в реальном времени, вычислять дозировку лекарства и синтезировать его прямо на месте из встроенных компонентов.
2. Архивация планетарного масштаба: ДНК-хранилища способны сохранять культурное и научное наследие человечества тысячелетиями без затрат энергии на поддержание серверов.

3. Нейроморфные системы ИИ: Создание искусственных «мокрых» нейросетей, способных обучаться так же пластично, как это делает живой мозг, перестраивая свои химические связи на лету.

Материальная база научной работы

«Жидкий» компьютер, как бы дико не звучало это словосочетание, не является новой идеей в мире науки. Уже несколько десятилетий ведутся исследования, пытающиеся тем или иным способом реализовать подобную футуристическую технологию. Ученые из NIST (Национальный институт стандартов и технологий) не стали исключением. Их исследование продемонстрировало, что вычислительные логические операции могут выполняться в жидкой среде путем управляемого захвата ионов в графене*, плавающем в солевом растворе.

Графен — это тонкая пленка (толщиной в 1 атом) из атомов углерода, соединенных в гексагональную (сотовую) двумерную кристаллическую решётку.

Во время опытов было замечено, что пленка графена приобретает свойства полупроводника на основе кремния, то есть может выполнять функцию транзистора. Чтобы контролировать пленку, необходимо изменять напряжение. А этот процесс очень схож с тем, что происходит при изменении концентрации солей в биологических системах.

Пленка графена: 29 x 29 см, толщина — 35 мкм. Стоит, кстати, порядка 65 долларов на штуку

Центром внимания конечно же была пленка графена, размеры которой составляли не более 5.5 на 6.4 нм. По своей структуре пленка была словно незаконченный пазл, поскольку в середине нее было одно или несколько «отверстий» (пор), точнее сказать вакансий, окруженных атомами кислорода. Это и есть ловушка для ионов. С точки зрения химии подобное атомное соединение схоже с краун-эфирами, которые известны, помимо прочего, еще и тем, что образуют стойкие комплексы с катионами металлов. То есть «ловят» положительно заряженные ионы металлов.

Молекулярная структура хлорида калия (KCl)

Вторым важным элементом эксперимента была жидкая среда, роль которой исполнила вода с хлоридом калия (KCl), распадающимся на ионы калия и хлора. Краун-эфиры ловили ионы калия, поскольку последние имеют положительный заряд.

Графен — жидкость — напряжение

Эксперименты показали, что основным фактором, влияющим на выполнение простейших логических операций, является напряжение, возникающее на пленке графена. При низком уровне концентрации хлорида калия проявляется прямая зависимость между проводимостью и заполненностью пленки ионами. При низкой заполнености уровень проводимости высокий, и наоборот. Прямое электрическое измерение уровня напряжения пленки графена в данном эксперименте является определенной логической операцией — чтение.

Графическая модель результата улавливания ионов калия (фиолетовый) в порах, окруженных кислородом (красный), на пленке графена (серый)

Теперь давайте разберемся с нулями и единицами. Если при определенной концентрации хлорида калия на пленке напряжение низкое (обозначаем его как «0»), то сама пленка практически непроводящая. Другими словами она выключена. В данном случае поры полностью заполнены ионами калия.

Высокое напряжение (более 300 мВ), обозначаемое как «1», увеличивает проводимость пленки, переводя ее во включенный режим. В таком случае не все поры заняты ионами калия.

Как следствие, соотношение вход/выход можно рассматривать как логические ворота NOT, когда значения входа и выхода меняются на противоположные. Проще говоря, 0 входит, а 1 выходит, и наоборот.

Если же используется две пленки графена, то возможна логическая операция OR (XOR). В такой ситуации разница состояний двух пленок, именуемая входящим значением, будет равна 1 только в том случае, если одна из пленок обладает высокой проводимостью. Другими словами, мы получим 1, если входящие данные от двух пленок разные, и 0, если данные совпадают.

Опыты также показали возможность реализации чувствительного переключения, поскольку даже при незначительном изменении напряжения потенциальный заряд пленки сильно меняется. Это натолкнуло исследователей на мысль, что настраиваемое ионное улавливание можно использовать и для хранения информации, так как чувствительные транзисторы могут выполнять крайне сложные вычислительные операции в нанофлюидных устройствах.

Демонстрационное видео процесса улавливания ионов калия

Процесс улавливания ионов не такой самостоятельный, как может показаться. Его можно регулировать посредством применения разного напряжения по поверхности пленки.

Также удалось выяснить, что ионы, «застрявшие» в поре пленки не только блокируют проникновение через пленку других ионов, но и создают электрическое поле вокруг пленки. Дабы ион мог пройти через пленку, напряжение должно быть предельного уровня. Электрическое поле пойманных ионов увеличивает напряжение на 30 мВ, что полностью блокирует проникновение других ионов.

Логические операции OR (XOR) и NOT

Если применить к пленке напряжение менее 150 мВ, ионы перестанут проникать через нее. А электрическое поле пойманных ионов мешает другим ионам вытолкнуть первых из краун-эфиров. При напряжении в 300 мВ пленка начинает пропускать ионы. Чем выше напряжение, тем больше вероятность потери пойманных ионов. Блуждающие ионы также начинают активно выталкивать пойманных, поскольку слабее электрическое поле. Эти свойства делают пленку отличным полупроводником для передачи ионов калия.

Эпилог

Самым важным физическим моментом возможного устройства на основе данной техники является его физический размер, который не должен превышать несколько атомов, и наличие электропроводимости. Не только графен может быть основой, а и другие материалы. Как альтернативный вариант исследователи предлагают различные варианты дихалькогенидов металлов, поскольку они обладают водоотталкивающими свойствами, и из них легко формировать пористые структуры.

Конечно, это футуризм, но не без аргументов в свою поддержку. Подобного рода исследования не только дают нам инструменты для понимания тех или иных явлений, процессов или веществ, но и ставят перед нами задачи, на первый взгляд безумные и невыполнимые, выполнение которых позволяет совершенствовать окружающий мир.

Нам еще долго прийдется ждать «жидких» компьютеров, серверов в стакане и флешек в колбах. Однако мы уже сейчас получаем самое важное для будущего нас и мира в целом, — знания.

Отказ от кремниевой основы в пользу жидкостных структур — это не просто смена материала, это возвращение компьютерных наук к истокам живой природы. Пока кремниевые гиганты бьются за каждый нанометр, в лабораториях по всему миру зарождается «мокрая» цифровая революция. И вполне возможно, что суперкомпьютер будущего будет выглядеть не как комната с гудящими стойками, а как прозрачный сосуд с умной, мыслящей жидкостью.

Источник: https://habr.com/