Chip lavorando come cervello: trasporta informazioni in un mezzo liquido

Calcolo della rete neurale in acqua. Costruito un circuito che si ispira alle reti neurali del cervello umano: ha la capacità di elaborare informazioni attraverso l’uso di molecole elettricamente [...] ..

calcolo neuronale in acqua

Calcolo della rete neurale in acqua. Costruito un circuito che si ispira alle reti neurali del cervello umano: ha la capacità di elaborare informazioni attraverso l’uso di molecole elettricamente cariche, dette ioni, che si muovono attraverso di un mezzo liquido. A compiere questo mezzo miracolo un gruppo di ricercatori di istituzioni scientifiche negli Stati Uniti e in Francia che fanno parte dell’Harvard University School of Engineering and Applied Sciences.

Secondo gli autori dello studio, pubblicato sulla rivista Advanced Materials, sebbene i circuiti ionici siano lenti rispetto ai loro analoghi basati su semiconduttori a causa della bassa mobilità degli ioni in soluzioni acquose, si ritiene che utilizzando varie specie ioniche con diverse proprietà fisico-chimiche, il contenuto delle informazioni trattate aumenterebbe.

Finora erano stati sviluppati solo dispositivi ionici individuali, come diodi e transistor, piuttosto che circuiti più complessi. Di fronte a questa situazione, gli scienziati hanno deciso di fabbricare un nuovo circuito ionico acquoso. Per fare ciò, è stato inizialmente progettato un transistor ionico costituito da due elettrodi ad anello concentrici e un elettrodo a disco centrale, che interagiscono con una soluzione acquosa di molecole di chinone.

Dopo aver applicato una tensione al disco centrale, viene generata una corrente di ioni idrogeno nella sostanza chinone. Il flusso ionico può aumentare o diminuire quando gli elettrodi ad anello concentrico regolano il pH attorno al disco centrale. Successivamente, questo dispositivo ionico esegue una moltiplicazione aritmetica di un parametro di peso stabilito dall’attivazione della coppia di anelli con la tensione del disco, producendo così corrente ionica.

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Un chip CMOS (a sinistra) con un array (al centro) di centinaia di singoli transistor ionici (a destra). (Credito: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)

Tuttavia, poiché le reti neurali artificiali a bassa potenza funzionano in gran parte mediante operazioni analogiche di moltiplicazione e accumulo (MAC), ciò ha portato i ricercatori a disporre 256

transistor ionici in una matrice 16 per 16 di questi dispositivi. Lo scopo era produrre un circuito ionico in grado di completare un compito MAC, ottenuto dopo aver sommato le correnti del disco di più transistor su un elettrodo di riferimento globale.

La moltiplicazione della matrice è il calcolo più frequente nelle reti neurali per l’intelligenza artificiale“, ha affermato lo scienziato Woo-Bin Jung, che ha spiegato che il suo “circuito ionico esegue la moltiplicazione della matrice nell’acqua in modo analogico, basato interamente su macchinari elettrochimici”.

Tuttavia, durante i test del nuovo dispositivo ionico, sono emerse limitazioni tecniche, tra le quali vale la pena notare che, a causa della mancanza di tracce di instradamento ionico indipendenti, nonché di elettrodi di riferimento locali per diverse colonne della matrice, le 16 correnti potrebbero non essere risolti separatamente. Ciò significava che ogni operazione MAC veniva eseguita in sequenza e non simultaneamente, il che riduceva le prestazioni di calcolo del circuito ionico.

“Anche se il nostro circuito ionico potrebbe non essere veloce o preciso come i microprocessori digitali, la moltiplicazione della matrice elettrochimica nell’acqua è affascinante di per sé e ha il potenziale per essere efficiente dal punto di vista energetico”, ha affermato il professor Donhee Ham. Da parte sua, Jung ha sottolineato che cercano di espandere una gamma di specie ioniche per “arricchire il contenuto delle informazioni da elaborare”.

Infine, gli scienziati hanno ribadito che il loro “transistor ionico può essere reso più veloce, più piccolo e più efficiente dal punto di vista energetico, sebbene non a livello di elettronica”. Hanno anche sottolineato che questi dispositivi ionici non sono destinati a sostituire le loro controparti elettroniche, ma piuttosto a completarle.

Foto di Copertina: Un circuito ionico comprendente centinaia di transistor ionici (Credit: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS).