Các ion trong máy: Thực hiện các phép tính phức tạp bằng chất lỏng đơn giản như nước

Các nhà nghiên cứu do Đại học Osaka đứng đầu đã tiết lộ khả năng xử lý thông tin tuyệt vời của các hồ chứa vật lý dựa trên các phản ứng điện hóa trong dòng điện Faradic và trình bày một hệ thống đơn giản cho các hệ thống tính toán sử dụng các phản ứng ion điện hóa.

Sau nhiều thập kỷ phát triển đáng kinh ngạc, những tiến bộ trong tính toán dựa trên chất bán dẫn đang bắt đầu chậm lại khi các bóng bán dẫn đạt đến giới hạn vật lý về kích thước và tốc độ. Tuy nhiên, các yêu cầu về tính toán vẫn tiếp tục phát triển, đặc biệt là trong trí tuệ nhân tạo, nơi các mạng nơ-ron thường có vài triệu tham số. Một giải pháp cho vấn đề này là tính toán hồ chứa, và một nhóm các nhà nghiên cứu do Đại học Osaka đứng đầu, cùng các đồng nghiệp từ Đại học Tokyo và Đại học Hokkaido , đã phát triển một hệ thống đơn giản dựa trên các phản ứng điện hóa trong dòng điện Faradic mà họ tin rằng sẽ bắt đầu phát triển trong lĩnh vực này.

Tính toán hồ chứa là một ý tưởng tương đối gần đây trong lĩnh vực điện toán. Thay vì các chương trình nhị phân truyền thống chạy trên các chip bán dẫn, các phản ứng của một hệ động lực phi tuyến – bể chứa – được sử dụng để thực hiện nhiều phép tính. Các hệ thống động lực học phi tuyến khác nhau từ các quá trình lượng tử đến các thành phần laser quang học đã được coi là các bể chứa. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã xem xét độ dẫn ion của các dung dịch điện hóa.

Giáo sư Megumi Akai-Kasaya, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Thiết bị thử nghiệm đơn giản của chúng tôi bao gồm 90 cặp điện cực phẳng với dung dịch ion được thả trên bề mặt của nó. “Điện áp đáp ứng với điện áp đầu vào sau đó được sử dụng làm phản ứng của bể chứa.” Đáp ứng điện áp này là do cả dòng ion đi qua dung dịch và dòng điện hóa. Mối quan hệ đầu vào – đầu ra này vừa là phi tuyến tính vừa có thể tái lập, điều này làm cho nó phù hợp để sử dụng trong tính toán hồ chứa. Một hệ thống thu thập dữ liệu đa đường duy nhất trên thiết bị kiểm soát các nút đọc, cho phép kiểm tra song song.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị này để đánh giá hai chất lỏng: các phân tử polyoxometalat trong dung dịch và nước khử ion. Hệ thống đã hiển thị “kết nối chuyển tiếp” giữa các nút, bất kể mẫu nào đã được sử dụng. Tuy nhiên, có sự khác biệt. Giáo sư Akai-Kasaya cho biết: “Giải pháp polyoxometalat làm tăng tính đa dạng của dòng điện đáp ứng, giúp nó dự đoán tốt các tín hiệu định kỳ. “Nhưng hóa ra nước khử ion là tốt nhất để giải các bài toán phi tuyến bậc hai.” Hiệu suất tốt của các giải pháp này cho thấy tiềm năng của chúng đối với các tác vụ phức tạp hơn, chẳng hạn như nhận dạng phông chữ viết tay, nhận dạng từ riêng biệt và các tác vụ phân loại khác.

Các nhà nghiên cứu tin rằng sự chuyển giao proton hoặc ion với các phản ứng điện hóa tối thiểu trong thời gian ngắn có tiềm năng phát triển như một hệ thống máy tính mạnh mẽ hơn về mặt tính toán với chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng. Sự đơn giản của hệ thống được đề xuất mở ra những cơ hội mới thú vị để phát triển các hệ thống tính toán dựa trên các phản ứng ion điện hóa.

Tham khảo: “Thực hiện Vật lý của Máy tính Hồ chứa Thông qua Phản ứng Điện hóa” của Shaohua Kan, Kohei Nakajima, Tetsuya Asai và Megumi Akai-Kasaya, 29 tháng 12 năm 2021, Khoa học Nâng cao .
DOI: 10.1002 / advs.202104076

Theo Scitechdaily