Neuroverkkolaskentaa vedessä

Aivot luottavat ionien manipulointiin nesteessä informaation käsittelyssä. Aivojen innoittamana tutkijat ovat pitkään pyrkineet kehittämään vesiliuoksessa toimivaa "ioniikkaa".

Vaikka vedessä olevat ionit liikkuvat hitaammin kuin puolijohteiden elektronit, tutkijat uskovat, että ionilajit, joilla on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, voitaisiin valjastaa rikkaampaan ja monipuolisempaan tiedonkäsittelyyn.

Ioninen laskenta on kuitenkin vielä alkutekijöissään. Tähän mennessä laboratoriot ovat kehittäneet vain yksittäisiä ionilaitteita, kuten ionidiodeja ja transistoreita, mutta kukaan ei ole yhdistänyt monia tällaisia laitteita monimutkaisemmiksi laskentapiiriksi - tähän mennessä.

Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) -tutkijaryhmä on yhteistyössä DNA Scriptin, biotekniikan startup-yrityksen kanssa kehittänyt ionipiirin, joka sisältää satoja ionitransistoreja ja ajanut neuroverkkolaskennan ydinprosessin.

Tutkijat ovat rakentaneet uudentyyppistä ionitransistoritekniikkaa. Se koostuu kinonimolekyylien vesiliuoksesta, joka on liitetty kahteen samankeskiseen rengaselektrodiin, joissa on keskilevyelektrodi, kuten napakymppi.

Kaksi rengaselektrodia alentavat ja säätävät sähkökemiallisesti paikallista pH:ta keskilevyn ympärillä tuottamalla ja vangitsemalla vetyioneja. Keskilevyyn syötetty jännite aiheuttaa sähkökemiallisen reaktion, joka tuottaa ionivirran levyltä veteen.

Reaktionopeutta voidaan nopeuttaa tai vähentää säätämällä paikallista pH:ta, joka siten säätelee tai rajoittaa levyn ionivirtaa vesiliuoksessa, mikä luo ionisen vastineen elektroniselle transistorille.

Sitten he suunnittelivat pH-porttisen ionitransistorin siten, että levyvirta on aritmeettinen kertolasku levyjännitteestä ja "paino"-parametri, joka edustaa transistorin paikallista pH-arvoa.

He järjestivät nämä transistorit 16 × 16 -matriisiksi laajentaakseen yksittäisten transistorien analogista aritmeettista kertolaskua analogiseksi matriisikertolaskuksi, jolloin paikallisten pH-arvojen joukko toimii painomatriisina neuroverkoissa.

"Matriisikertominen on yleisin tekoälyn neuroverkkojen laskenta", sanoi tutkijatohtori Woo-Bin Jung. "Ionipiirimme suorittaa matriisin kertomisen vedessä analogisesti tavalla, joka perustuu täysin sähkökemialliseen systeemiin."

Jatkossa tiimi pyrkii rikastuttamaan järjestelmän kemiallista monimutkaisuutta.

"Tähän mennessä olemme käyttäneet vain 3-4 ionilajia, kuten vety- ja kinoni-ioneja, mahdollistamaan portituksen ja ionien kuljetuksen vesipitoisessa ionitransistorissa", Jung sanoi. "On erittäin mielenkiintoista käyttää monipuolisempia ionilajeja ja nähdä, kuinka voimme hyödyntää niitä rikastaaksemme käsiteltävän tiedon sisältöä."

Aiheesta aiemmin:

Aivomainen transistoripiiri

Kahden ionin akut lähemmäksi todellisuutta

Sähköistä lentämistä