Los científicos están siguiendo los propios diseños de la naturaleza mediante el desarrollo de microprocesadores iónicos, que podrían resultar particularmente eficientes energéticamente en comparación con los procesadores tradicionales basados en semiconductores.
Como se publicó en Advanced Materials, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, en colaboración con la startup de biotecnología DNA Script, ha desarrollado un circuito de iones que comprende cientos de transistores de iones. Incluso ejecutaron un proceso básico de computación de redes neuronales allí: el software húmedo se está convirtiendo cada vez menos en una palabra de moda de ciencia ficción.
El diseño de los procesadores de iones tiene como objetivo aprender de los sistemas de procesamiento de la biología -especialmente del cerebro- para crear procesadores que utilicen la electroquímica en lugar de la electricidad para realizar los cálculos. La investigación describe los procesadores de iones como una tecnología que podría desarrollarse y escalarse en el futuro, donde sus diseños de eficiencia energética podrían ser útiles para ciertos escenarios de implementación.
Todavía es pronto para la tecnología, ya que los investigadores acaban de ensamblar la primera placa de circuito impreso que en realidad contiene cientos de transistores de iones; hasta ahora, solo se han demostrado transistores de iones únicos. La investigación abre así el camino a la creación de procesadores reales haciendo funcionar cientos, miles, incluso millones, de transistores de iones en tándem.
El circuito de iones del investigador se creó multiplicando el número de transistores de iones individuales que podían funcionar juntos. Su diseño de transistor de iones consiste en una solución acuosa de moléculas de quinona, interconectadas con dos electrodos de anillo concéntrico (azul y rojo) con un tercer electrodo de disco central (amarillo), formando esencialmente un diseño de transistor en forma de diana.
Al pasar voltaje a través del transistor, los dos electrodos de anillo concéntrico pueden ajustar localmente el pH del agua aumentando o disminuyendo la cantidad de iones de hidrógeno presentes en ella. Este cambio, una hazaña de la electroquímica, permite que la corriente de iones del transistor se use como un interruptor de encendido/apagado, conocido como portón, en los transistores de los que estamos acostumbrados a oír hablar. Esta puerta de corriente de iones a través de cambios en el pH del transistor desbloquea la capacidad de los transistores para procesar información binaria.
Los investigadores refinaron aún más el diseño de su microprocesador al colocar estos transistores analógicos (capaces de representar un 0 o un 1) en una puerta de matriz de 16 x 16. Esto permitió que el procesador de iones realizara tareas de multiplicación de matriz, acercando las capacidades de una red neuronal y aumentando su valor para escenarios de procesamiento de IA que pueden requerir requisitos muy específicos de equilibrio de potencia/rendimiento.
“La multiplicación de matrices es el cálculo más popular en redes neuronales para inteligencia artificial”, dijo Woo-Bin Jung, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo. "Nuestro circuito de iones realiza la multiplicación de la matriz en el agua de forma analógica basada completamente en maquinaria electroquímica".
La compensación es que son más lentos, pero en comparación con la luz, todo lo es. Los investigadores ahora esperan desarrollar aún más sus procesadores de iones al permitirles aprovechar más reacciones electroquímicas, como aumentar los tipos de iones manipulados para procesar información. Los investigadores aún pueden estar ansiosos por programar funciones adicionales en estos sistemas.
Esto, junto con el aumento en la cantidad de transistores disponibles, debería permitir mejoras en el rendimiento al tiempo que abre los procesadores iónicos a tareas más variadas y a la computación general o verdaderamente específica.
"Hasta ahora, hemos utilizado solo 3 o 4 especies de iones, como iones de hidrógeno y quinona, para permitir la activación y el transporte de iones en el transistor de iones acuosos", dijo Jung. “Será muy interesante utilizar especies iónicas más diversificadas y ver cómo podemos explotarlas para enriquecer el contenido de la información a procesar”.
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