Мед может стать прекрасным решением для разработки экологически безопасных компонентов для нейроморфных компьютеров, систем, предназначенных для имитации нейронов и синапсов человеческого мозга.
Нейроморфные системы, которые некоторые называют будущим вычислений, намного быстрее и потребляют гораздо меньше энергии, чем традиционные компьютеры. Инженеры Университета штата Вашингтон также продемонстрировали один из способов сделать их более органичными. В исследовании, опубликованном в Journal of Physics D, исследователи показывают, что мед можно использовать для изготовления мемристора , компонента, похожего на транзистор, который может не только обрабатывать, но и хранить данные в памяти.
«Это очень маленькое устройство с простой структурой, но по функциям оно очень похоже на человеческий нейрон», — сказал Фэн Чжао, доцент Школы инженерии и компьютерных наук WSU и автор исследования. «Это означает, что если мы сможем объединить миллионы или миллиарды этих медовых мемристоров вместе, то их можно будет превратить в нейроморфную систему, которая будет функционировать так же, как человеческий мозг».
Для исследования Чжао и первый автор Брэндон Суеока, аспирант WSU в лаборатории Чжао, создали мемристоры, переработав мед в твердую форму и поместив его между двумя металлическими электродами, создав структуру, похожую на человеческий синапс. Затем они проверили способность медовых мемристоров имитировать работу синапсов с высокой скоростью включения и выключения 100 и 500 наносекунд соответственно. Мемристоры также имитировали функции синапсов, известные как пластичность, зависящая от времени спайка, и пластичность, зависящая от частоты спайка, которые отвечают за процессы обучения в человеческом мозгу и сохранение новой информации в нейронах.
Инженеры WSU создали медовые мемристоры в микромасштабе, поэтому они размером с человеческий волос. Исследовательская группа под руководством Чжао планирует разработать их в наномасштабе, примерно 1/1000 человеческого волоса, и объединить многие миллионы или даже миллиарды вместе, чтобы создать полноценную нейроморфную вычислительную систему.
В настоящее время обычные компьютерные системы основаны на так называемой архитектуре фон Неймана. Названная в честь своего создателя, эта архитектура включает в себя вход, обычно с клавиатуры и мыши, и выход, например монитор. Он также имеет ЦП, или центральный процессор, и ОЗУ, или память. По словам Чжао, передача данных через все эти механизмы от ввода к обработке, от памяти к выводу требует много энергии, по крайней мере, по сравнению с человеческим мозгом. Например, суперкомпьютер Fugaku использует для работы более 28 мегаватт, что примерно эквивалентно 28 миллионам ватт, в то время как мозг потребляет всего от 10 до 20 ватт.
В человеческом мозгу более 100 миллиардов нейронов с более чем 1000 триллионов синапсов или связей между ними. Каждый нейрон может как обрабатывать, так и хранить данные, что делает мозг гораздо более эффективным, чем традиционный компьютер, и разработчики нейроморфных вычислительных систем стремятся имитировать эту структуру.
Несколько компаний, в том числе Intel и IBM, выпустили нейроморфные чипы, которые имеют эквивалент более 100 миллионов «нейронов» на чип, но это еще не близко к количеству в мозгу. Многие разработчики по-прежнему используют те же невозобновляемые и токсичные материалы , которые в настоящее время используются в обычных компьютерных чипах.
Многие исследователи, в том числе команда Чжао, ищут биоразлагаемые и возобновляемые решения для использования в этом многообещающем новом типе вычислений. Чжао также ведет исследования по использованию белков и других сахаров, таких как содержащиеся в листьях алоэ вера, в этом качестве, но он видит большой потенциал в меде.
«Мед не портится», — сказал он. «У него очень низкая концентрация влаги, поэтому бактерии не могут в нем выжить. Это означает, что эти компьютерные чипы будут очень стабильными и надежными в течение очень долгого времени».
Медовые мемристорные чипы, разработанные в WSU, должны выдерживать более низкие уровни тепла, выделяемого нейроморфными системами, которые не нагреваются так, как традиционные компьютеры. Медовые мемристоры также сократят электронные отходы .
«Когда мы хотим избавиться от устройств, использующих компьютерные чипы из меда, мы можем легко растворить их в воде», — сказал он. «Благодаря этим особым свойствам мед очень полезен для создания возобновляемых и биоразлагаемых нейроморфных систем».
Это также означает, предупредил Чжао, что, как и в случае с обычными компьютерами, пользователям все равно придется избегать проливания на них кофе.
