Μια ομάδα ερευνητών κατάφερε να δημιουργήσει μοριακές συσκευές που δεν αποθηκεύουν απλώς πληροφορία, αλλά «σκέφτονται» και προσαρμόζονται, ανοίγοντας τον δρόμο για υπολογιστές που λειτουργούν πραγματικά όπως ο ανθρώπινος εγκέφαλος.
Για περισσότερο από μισό αιώνα, η βιομηχανία της τεχνολογίας βασίστηκε σε ένα και μόνο υλικό: το πυρίτιο. Ωστόσο, καθώς οι απαιτήσεις της Τεχνητής Νοημοσύνης αυξάνονται εκθετικά, τα παραδοσιακά τσιπ πλησιάζουν τα φυσικά τους όρια. Η απάντηση σε αυτό το αδιέξοδο έρχεται από το Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημών (IISc), όπου μια διεπιστημονική ομάδα πέτυχε κάτι που μέχρι πρότινος θεωρούνταν ανέφικτο στον τομέα των μοριακών ηλεκτρονικών: τη δημιουργία συσκευών που μπορούν να αλλάζουν ρόλους σε πραγματικό χρόνο.
Η σχετική μελέτη περιγράφει πώς συγκεκριμένα οργανικά μόρια μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα ως μνήμη, ως λογικοί επεξεργαστές ή ως τεχνητές συνάψεις, ανάλογα με το ερέθισμα που δέχονται.
Πέρα από τα όρια του πυριτίου
Η σύγχρονη υπολογιστική αρχιτεκτονική διαχωρίζει αυστηρά την επεξεργασία από την αποθήκευση δεδομένων. Αυτή η διαρκής μεταφορά πληροφορίας κοστίζει τεράστια ποσά ενέργειας, ειδικά σε εφαρμογές AI. Η «νευρομορφική υπολογιστική» προσπάθησε να λύσει αυτό το πρόβλημα μιμούμενη τη δομή του εγκεφάλου, όμως μέχρι σήμερα, τα περισσότερα συστήματα εξακολουθούν να είναι μηχανές που απλώς «υποκρίνονται» ότι μαθαίνουν, χρησιμοποιώντας συμβατικά υλικά οξειδίων.
Η καινοτομία της ομάδας του IISc, με επικεφαλής τον Επίκουρο Καθηγητή Sreetosh Goswami από το Κέντρο Νανοεπιστήμης και Μηχανικής (CeNSE), έγκειται στο ότι δεν προσπαθούν να μιμηθούν τη μάθηση, αλλά να την κωδικοποιήσουν φυσικά μέσα στο ίδιο το υλικό.
«Είναι σπάνιο να βλέπουμε προσαρμοστικότητα τέτοιου επιπέδου σε ηλεκτρονικά υλικά», δηλώνει ο Sreetosh Goswami. «Εδώ, ο χημικός σχεδιασμός συναντά την πληροφορική, όχι ως αναλογία, αλλά ως θεμελιώδης αρχή λειτουργίας».
Η Χημεία ως αρχιτέκτονας υπολογιστών
Το μυστικό βρίσκεται σε μια σειρά 17 προσεκτικά σχεδιασμένων συμπλόκων ρουθηνίου. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μικρές αλλαγές στη μοριακή δομή και στο ιοντικό περιβάλλον γύρω από αυτά τα μόρια μπορούν να αλλάξουν δραστικά τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων.
Σε αντίθεση με τα άκαμπτα τρανζίστορ του πυριτίου, αυτές οι μοριακές συσκευές είναι «χαμαιλέοντες». Με την κατάλληλη ηλεκτρική διέγερση, η ίδια ακριβώς συσκευή μπορεί να μετατραπεί από αποθηκευτικό μέσο σε λογική πύλη ή σε αναλογικό επεξεργαστή. Μπορεί ακόμη και να συμπεριφερθεί ως ηλεκτρονική σύναψη, μαθαίνοντας και ξεχνώντας πληροφορίες, ακριβώς όπως οι βιολογικές συνάψεις στον εγκέφαλό μας.
«Αυτό που με εξέπληξε ήταν πόση ευελιξία κρυβόταν στο ίδιο σύστημα», αναφέρει η Pallavi Gaur, υποψήφια διδάκτωρ και βασική συγγραφέας της μελέτης. «Με τη σωστή χημική σύνθεση, μια συσκευή μπορεί να αποθηκεύσει πληροφορία, να υπολογίσει με αυτήν ή ακόμα και να μάθει. Αυτό δεν είναι κάτι που περιμένεις από τα ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης».
Ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο
Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην ανάπτυξη των μοριακών ηλεκτρονικών ήταν πάντα η έλλειψη ελέγχου και προβλεψιμότητας. Τα μόρια, όταν τοποθετούνται μέσα σε συσκευές, αλληλεπιδρούν χαοτικά μεταξύ τους.
Για να δαμάσει αυτό το χάος, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα νέο θεωρητικό μοντέλο μεταφοράς, βασισμένο στην κβαντική χημεία και τη φυσική πολλών σωμάτων. Το μοντέλο αυτό τους επέτρεψε να χαρτογραφήσουν με ακρίβεια το πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα στο μοριακό φιλμ, πώς τα μόρια οξειδώνονται και ανάγονται, και πώς τα ιόντα μετατοπίζονται μέσα στο πλέγμα. Κατανοώντας αυτούς τους μηχανισμούς, μπόρεσαν να προβλέψουν και να ελέγξουν τη σταθερότητα και τη δυναμική της κάθε κατάστασης.
Το μέλλον του hardware για την Τεχνητή Νοημοσύνη
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης για το μέλλον της τεχνολογίας είναι κρίσιμη. Καθώς τα μοντέλα AI γίνονται όλο και πιο ενεργοβόρα, η ανάγκη για hardware που είναι εγγενώς ευφυές και ενεργειακά αποδοτικό είναι επιτακτική. Η ικανότητα συνδυασμού μνήμης και υπολογισμού στο ίδιο υλικό εξαλείφει το ενεργειακό κόστος της μεταφοράς δεδομένων, προσφέροντας μια βιώσιμη λύση για την επόμενη γενιά υπολογιστικών συστημάτων.
Η ομάδα του IISc εργάζεται ήδη για την ενσωμάτωση αυτών των μοριακών συστημάτων σε τσιπ πυριτίου, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ της τρέχουσας τεχνολογίας και του μέλλοντος. Όπως χαρακτηριστικά επισημαίνει ο Sreebrata Goswami, επισκέπτης επιστήμονας στο CeNSE και υπεύθυνος για τον χημικό σχεδιασμό: «Αυτή η εργασία αποδεικνύει ότι η χημεία μπορεί να είναι ο αρχιτέκτονας του υπολογισμού, και όχι απλώς ο προμηθευτής των υλικών».
Η ανακάλυψη αυτή δεν υπόσχεται απλώς ταχύτερους υπολογιστές, αλλά μια θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη μηχανική νοημοσύνη, μετατρέποντας την προσαρμοστικότητα από αλγοριθμική εντολή σε φυσική ιδιότητα της ύλης.
