La biología inspira un nuevo tipo de circuito basado en agua que podría transformar la informática : ScienceAlert

El futuro de la informática de redes neuronales podría ser un poco más empapado de lo que esperábamos.

Un equipo de físicos ha desarrollado con éxito un circuito iónico: un procesador basado en los movimientos de átomos y moléculas cargados en una solución acuosa, en lugar de electrones en un semiconductor sólido.

Dado que esto se acerca más a la forma en que el cerebro transporta la información, dicen, su dispositivo podría ser el próximo paso adelante en la computación similar al cerebro.

“Los circuitos iónicos en soluciones acuosas buscan utilizar iones como portadores de carga para el procesamiento de señales”. escribir el equipo dirigido por el físico Woo-Bin Jung de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard en un nuevo artículo.

“Aquí informamos sobre un circuito iónico acuoso… Esta demostración del circuito iónico funcional capaz de computación analógica es un paso hacia una iónica acuosa más sofisticada”.

Una parte importante de la transmisión de señales en el cerebro es el movimiento de moléculas cargadas llamadas iones a través de un medio líquido. Aunque el increíble poder de procesamiento del cerebro es extremadamente difícil de replicar, los científicos han pensado que se podría emplear un sistema similar para la computación: empujar iones a través de una solución acuosa.

Esto sería más lento que la computación convencional basada en silicio, pero podría tener algunas ventajas interesantes.

Por ejemplo, los iones se pueden crear a partir de una amplia gama de moléculas, cada una con diferentes propiedades que podrían explotarse de diferentes maneras.

Pero primero, los científicos deben demostrar que puede funcionar.

Esto es en lo que han estado trabajando Jung y sus colegas. El primer paso fue diseñar un transistor iónico funcional, un dispositivo que cambia o aumenta una señal. Su avance más reciente involucró la combinación de cientos de esos transistores para trabajar juntos como un circuito iónico.

El transistor consta de una disposición de electrodos de “ojo de buey”, con un pequeño electrodo en forma de disco en el centro y dos electrodos de anillo concéntricos a su alrededor. Este interactúa con una solución acuosa de quinona moléculas.

Un voltaje aplicado al disco central genera una corriente de iones de hidrógeno en la solución de quinona. Mientras tanto, los dos electrodos anulares modulan el pH de la solución a puerta, aumentando o disminuyendo la corriente iónica.

El chip (izquierda), con una matriz en el centro (medio) compuesta por cientos de transistores (derecha). (Woo-Bin Jung/Mares de Harvard)

Este transistor realiza una multiplicación física de un parámetro de “peso” establecido por el par de anillos que se activa con el voltaje del disco, produciendo una respuesta como la corriente iónica.

Sin embargo, las redes neuronales dependen en gran medida de una operación matemática llamada multiplicación de matricesque implica múltiples multiplicaciones.

Entonces, el equipo diseñó arreglos de 16 por 16 de sus transistores, cada uno capaz de multiplicar aritméticamente, para producir un circuito iónico que pueda realizar la multiplicación de matrices.

“La multiplicación de matrices es el cálculo más frecuente en las redes neuronales para inteligencia artificial,” jung dice. “Nuestro circuito iónico realiza la multiplicación de la matriz en agua de una manera analógica que se basa completamente en maquinaria electroquímica”.

Hay, por supuesto, limitaciones significativas a la tecnología. Las 16 corrientes no pueden resolverse por separado, lo que significa que la operación tuvo que realizarse secuencialmente en lugar de simultáneamente, lo que ralentizó significativamente una tecnología que ya era relativamente lenta.

Sin embargo, su éxito es un paso hacia una computación iónica más sofisticada: solo viendo el problema podemos encontrar soluciones.

El siguiente paso será introducir una gama más amplia de moléculas en el sistema para ver si eso permite que el circuito procese información más compleja.

“Hasta ahora, hemos utilizado solo de 3 a 4 especies iónicas, como iones de hidrógeno y quinona, para permitir la activación y el transporte iónico en el transistor iónico acuoso”. jung dice.

“Será muy interesante emplear especies iónicas más diversas y ver cómo podemos explotarlas para enriquecer el contenido de la información a procesar”.

El objetivo final, señala el equipo, no es competir o reemplazar la electrónica con la iónica, sino complementar, quizás en forma de tecnología híbrida, con las capacidades de ambas.

La investigación ha sido publicada en Materiales avanzados.

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