Czerpiąc inspirację z natury, badacze odkryli klasę materiałów zachowujących się jak aksony poprzez spontaniczne wzmacnianie impulsów elektrycznych przemieszczających się wzdłuż linii przesyłowych.
Te nowe materiały naśladują aksony, propagując sygnały elektryczne bez degradacji, co mogłoby zrewolucjonizować architekturę obliczeniową poprzez zmniejszenie energii wymaganej do transmisji sygnału i potencjalnie drastyczne zmniejszenie zużycia energii w centrach danych.
Materiały komputerowe inspirowane mózgiem
Zespół naukowców z Texas A&M University, Sandia National Lab – Livermore i Uniwersytetu Stanforda czerpie lekcje z mózgu, aby projektować materiały umożliwiające bardziej wydajne przetwarzanie danych. Odkryta nowa klasa materiałów jest pierwszą w swoim rodzaju – naśladują zachowanie aksonu poprzez spontaniczną propagację sygnału elektrycznego podczas jego podróży wzdłuż linii przesyłowej. Odkrycia te mogą mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości informatyki i sztuczna inteligencja.
Badanie to opublikowano 11 września w czasopiśmie Natura.
Wyzwanie związane z propagacją sygnału elektrycznego
Każdy sygnał elektryczny rozchodzący się w przewodniku metalowym traci amplitudę ze względu na naturalny opór metalu. Nowoczesne procesory komputerowe (CPU) i procesory graficzne mogą zawierać około 30 mil cienkich drutów miedzianych przenoszących sygnały elektryczne w chipie. Straty te szybko się sumują, wymagając od wzmacniaczy utrzymania integralności impulsu. Te ograniczenia projektowe wpływają na wydajność obecnych układów o dużej gęstości połączeń.
Aby pokonać to ograniczenie, naukowcy zainspirowali się aksonami. Aksony są częścią komórki nerwowej, zwanej neuronem kręgowce które mogą przewodzić impulsy elektryczne z dala od ciała komórki nerwowej.
„Często chcemy przesłać sygnał danych z jednego miejsca do innego, bardziej odległego miejsca” – powiedział główny autor dr Tim Brown, doktorant w Sandia National Lab oraz były doktorant w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii na Uniwersytecie Teksas A&M. „Na przykład może zaistnieć potrzeba przesłania impulsu elektrycznego z krawędzi chipa procesora do tranzystorów w pobliżu jego środka. Nawet w przypadku metali najlepiej przewodzących rezystancja w temperaturze pokojowej stale rozprasza przesyłane sygnały, dlatego zazwyczaj przecinamy linię transmisyjną i wzmacniamy sygnał, co kosztuje energię, czas i przestrzeń. Biologia robi to inaczej: niektóre sygnały w mózgu są również przesyłane na odległości centymetrowe, ale przez aksony wykonane ze znacznie bardziej opornej materii organicznej i nigdy nie zakłócają ani nie wzmacniają sygnałów.
„Biologia robi to inaczej: niektóre sygnały w mózgu są również przesyłane na odległości centymetrowe, ale przez aksony wykonane ze znacznie bardziej opornej materii organicznej i nigdy nie zakłócają ani nie wzmacniają sygnałów”.
Doktor Tim Brown
Wzmocnienie inspirowane aksonami w nowych materiałach
Według dr Patricka Shambergera, profesora nadzwyczajnego na Wydziale Nauki o Materiałach i Inżynierii w Texas A&M, aksony są autostradą komunikacyjną. Przekazują sygnały z jednego neuronu do sąsiedniego neuronu. Podczas gdy neurony są odpowiedzialne za przetwarzanie sygnałów, aksony przypominają kable światłowodowe, które przekazują sygnały z jednego neuronu do sąsiada.
Podobnie jak model aksonu, materiały odkryte w tym badaniu istnieją w stanie zagruntowanym, co pozwala im na spontaniczne wzmacnianie impulsu napięciowego przechodzącego przez akson. Naukowcy wykorzystali elektroniczne przejście fazowe w tlenku lantanu i kobaltu, które powoduje, że w miarę nagrzewania staje się on znacznie bardziej przewodzący prąd elektryczny. Ta właściwość oddziałuje z niewielką ilością ciepła wytwarzanego podczas przejścia sygnału przez materiał, co powoduje powstanie dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Rezultatem jest zestaw egzotycznych zachowań, których nie można zaobserwować w zwykłych pasywnych komponentach elektrycznych – rezystorach, kondensatorach, cewkach indukcyjnych – włączając wzmocnienie małych zakłóceń, ujemnych oporów elektrycznych i niezwykle dużych przesunięć fazowych w sygnałach prądu przemiennego.
Według Shambergera materiały te są wyjątkowe, ponieważ występują w półstabilnym „stanie złotowłosej”. Impulsy elektryczne nie zanikają, nie wykazują ucieczki termicznej i rozkładu. Zamiast tego materiał będzie naturalnie oscylować, jeśli będzie utrzymywany w warunkach stałego prądu. Naukowcy ustalili, że mogą wykorzystać to zachowanie do wywołania zachowań impulsowych i wzmocnienia sygnału przesyłanego wzdłuż linii przesyłowej.
„Zasadniczo wykorzystujemy wewnętrzne niestabilności materiału, które w dalszym ciągu wzmacniają impuls elektroniczny przechodzący wzdłuż linii przesyłowej. Chociaż takie zachowanie zostało teoretycznie przewidziane przez naszego współautora, dr Stana Williamsa, jest to pierwsze potwierdzenie jego istnienia.”
Przyszłe implikacje i wsparcie badawcze
Odkrycia te mogą mieć kluczowe znaczenie dla przyszłości informatyki, która napędza rosnące zapotrzebowanie na energię. Oczekuje się, że do 2030 r. centra danych będą zużywać 8% mocy w Stanach Zjednoczonych, a sztuczna inteligencja może radykalnie zwiększyć to zapotrzebowanie. W dłuższej perspektywie jest to krok w kierunku zrozumienia materiałów dynamicznych i wykorzystania inspiracji biologicznych do promowania wydajniejszych obliczeń.
„Zasadniczo wykorzystujemy wewnętrzne niestabilności materiału, które w dalszym ciągu wzmacniają impuls elektroniczny przechodzący wzdłuż linii przesyłowej”.
Doktor Patrick Shamberger
Badania te są wspierane przez Departament Energii za pośrednictwem: Rekonfigurowalne materiały elektroniczne inspirowane nieliniową dynamiką neuronów (REMIND) Centrum badawcze Energy Frontier (EFRC).
„Po raz pierwszy wpadłem na pomysł aktywnej linii przesyłowej Edge of Chaos 12 lat temu” – powiedział dr Stan Williams, współautor badania, dyrektor REMIND i profesor na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej w Teksasie JESTEM. „Aby uczynić z tego eksperymentalną rzeczywistość, wymagane były zasoby, wiedza specjalistyczna i praca zespołowa projektu REMIND”.
Celem projektu REMIND EFRC, utworzonego w 2022 r., jest rozwijanie podstawowej wiedzy naukowej stanowiącej podstawę funkcji architektur obliczeniowych podlegających masowej rekonfiguracji, które zbliżają się do podstawowych granic efektywności energetycznej i szybkości, umożliwiając uczenie się w czasie rzeczywistym i wbudowaną inteligencję emulującą określone funkcje neuronalne i synaptyczne człowieka mózg.
„Program Departamentu Energii EFRC ma wyjątkowy charakter i pozwolił projektowi REMIND przekroczyć bariery i pracować nad niektórymi z wielkich wyzwań współczesnej informatyki” – powiedział dr Sarbajit Banerjee, zastępca dyrektora REMIND EFRC i profesor w Wydział Inżynierii Chemicznej Artiego Mcferrina oraz Wydział Nauki i Inżynierii Materiałowej. „Ta praca ilustruje siłę wspólnych badań i charakterystycznych krajowych partnerstw laboratoriów Texas A&M”.
Odniesienie: „Aksonowa aktywna transmisja sygnału” autorstwa Timothy’ego D. Browna, Alana Zhanga, Fredericka U. Nitty, Elliota D. Granta, Jenny L. Chong, Jacklyn Zhu, Sritharini Radhakrishnan, Mahnaz Islam, Elliot J. Fuller, A. Alec Talin, Patrick J. Shamberger, Eric Pop, R. Stanley Williams i Suhas Kumar, 11 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07921-z
Inni członkowie EFRC współpracujący z EFRC to Jenny Chong, studentka studiów magisterskich na Wydziale Nauki i Inżynierii Materiałowej w Texas A&M, która pomogła opracować symulację pozwalającą zrozumieć to zjawisko i zaprojektować linie transmisyjne, które lepiej wzmacniają sygnały, a także badacze dr Suhas Kumar , dr Elliot Fuller i dr Alec Talin z Sandia National Lab – Livermore. Praca ta została wykonana we współpracy z grupą badawczą dr Erica Popa z Uniwersytetu Stanforda.
