Современные микропроцессоры, являющиеся сердцем современных смартфонов и компьютеров, обрабатывают информацию, управляя движением потоков электроном, перемещающихся в среде твердых полупроводниковых материалов. Однако, мозги живых существ, являющиеся биологическими компьютерами, работают на других принципах, в них информация обрабатывается путем перемещения ионов в жидкой среде, заполняющей объем нейронов и синапсов.
Различные группы ученых уже достаточно давно пытаются разработать принципы ионных вычислений в жидкой среде. Конечно, ионы гораздо массивней и они движутся гораздо медленнее, чем электроны в полупроводниках. Однако, растворы могут содержать большое число ионов различных химических элементов, обладающих различными физическими и химическими свойствами, что позволит реализовать более сложную обработку информации за один условный раз.
Область ионных вычислений находится сейчас в самой начальной стадии. В нескольких лабораториях уже были созданы примитивные устройства, ионные аналоги диодов и транзисторов, но никому до последнего времени не удавалось соединить множество подобных устройств в одну функционирующую схему.
Но недавно исследователи из Школы технических и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) Гарвардского университета и биотехнологической компании DNA Script создали первую ионную схему, в состав которой входят сотни ионных транзисторов и которая выполняет функции примитивной искусственной нейронной сети.
[Структура ионного транзистора]
Основой нового устройства стал ионный транзистор весьма необычной структуры. Он состоит из двух электродов, соединенных с концентрическими кольцевыми электродами и центральным дискообразным электродом. Все это помещено в водный раствор с молекулами хинона. Два кольцеобразных электрода, заманивая в свою ловушку ионы водорода, регулируют уровень pH с двух сторон дискового электрода. Если не вдаваться глубоко в подробности электрохимии происходящих процессов, можно сказать, что разница между уровнями pH определяет величину ионного тока через устройство, делая его ионным аналогом электронного транзистора.
Ионные транзисторы были сформированы в виде матрицы 16 на 16 и их соединения позволили реализовать функции аналогового арифметического умножения матриц и умножения матриц весовых коэффициентов, что используется при построении традиционных нейронных сетей.
"Умножение матриц - это самый распространенный вид вычислений в нейронных сетях, являющихся основой искусственного интеллекта" - пишут ученые, - "Наш ионный чип выполняет подобное умножение в водной среде чисто аналоговым образом, базирующимся исключительно на электрохимических процессах. Конечно, ионные аналоговые вычисления еще не могут обеспечить такой скорости и точности, как цифровые микропроцессоры. Однако, они выполняются без какого-либо участия программ и требуют несопоставимо меньшие количества энергии".
В дальнейшем ученые планируют значительно увеличить "химическую сложность" ионной вычислительной системы. "До сих пор мы использовали только 3-4 разновидности ионов, включая ионы водорода и ионы хинона, для обеспечения управления и переноса зарядов внутри ионного транзистора" - пишут ученые, - "Но если мы будем использовать более разнообразные ионы, то мы сможем одновременно оперировать большим количеством информации и выполнять ее более сложную параллельную обработку".