Procesor, który naśladuje mózg — i działa w kosmicznej próżni

Wyobraź sobie układ scalony, który pracuje w temperaturze tak niskiej, że Antarktyda wydaje się ciepłym kurortem. Mowa o zaledwie 10 milikelwinach — ułamkach stopnia powyżej zera bezwzględnego, czyli najzimniejszej możliwej temperatury we wszechświecie.

I teraz najciekawsze: ten chip zachowuje się jak komórki nerwowe w naszym mózgu. „Strzela" jak neurony, ale jest zbudowany z węglika krzemu — tego samego materiału, który stosuje się w elektronice mocy w pojazdach elektrycznych. Naukowcy z Uniwersytetu Hongkońskiego właśnie wykazali, że pojedynczy tranzystor może odtworzyć ten neuronalny sposób działania w ekstremalnie niskich temperaturach.

Ale po co nam to w ogóle?

Problem kwantowy, którego nikt nie chce głośno mówić

Tak, komputery kwantowe mają być potężne. Ale jest pewna brzydka tajemnica: układy sterujące nimi to dość chaotyczna sprawa.

Qubity — kwantowe odpowiedniki klasycznych bitów — muszą być schłodzone do temperatur rzędu milikelwinów, żeby w ogóle działać. Tymczasem elektronika, która nimi steruje? Generuje ogromne ilości ciepła.

Efekt? Obecne systemy sterowania muszą siedzieć z daleka od samych procesorów kwantowych. Dosłownie w osobnych zamrażarkach. A to oznacza kilometry przewodów łączących wszystko ze sobą. I nie jest to tylko niewygodne — to fundamentalne wąskie gardło ograniczające skalę i moc przyszłych komputerów kwantowych.

No i właśnie — ten research może to zmienić.

Magia węglika krzemu

Profesor Yuhao Zhang i jego zespół odkryli, że gdy schłodzimy tranzystory MOSFET z węglika krzemu poniżej około 2 kelwinów, zaczyna dziać się coś ciekawego. Materiał wykazuje tak zwany efekt „ujemnego oporu różniczkowego" — elektrony zaczynają się zachowywać w sposób pozwalający tranzystorowi naśladować energooszczędne „strzelanie" biologicznych neuronów.

Najlepsze? Nie trzeba, żeby urządzenie samo generowało ciepło, żeby to działało. Całe zachowanie wynika bezpośrednio z właściwości atomowych materiału. Jest stabilne i powtarzalne.

„Wykorzystując unikalną dynamikę nośników ładunku w węgliku krzemu, możemy tworzyć obwody tysiące razy bardziej energooszczędne niż konwencjonalna elektronika" — wyjaśnia profesor Zhang.

Tysiące razy. Pozwól, żeby to do ciebie dotarło.

Dlaczego to praktyczne?

Węglik krzemu to już dojrzały, masowo produkowany materiał w przemyśle motoryzowym i energetycznym. Te kriogeniczne chipy mogłyby potencjalnie powstawać w istniejących fabrykach półprzewodnikowych na podłożach 300 mm. Nie budujemy od zera żadnych egzotycznych linii produkcyjnych — adaptujemy technologię, która już istnieje na wielką skalę.

Naukowcy pokazali też, że te sztuczne neurony można łączyć w większe sieci. To otwiera drzwi do przetwarzania danych bezpośrednio w temperaturach kriogenicznych. Można by wtedy znacząco wzmocnić korekcję błędów kwantowych i umożliwić sterowanie systemami kwantowymi w czasie rzeczywistym — co obecnie jest piekielnie trudne.

Ale najbardziej kręci mnie kosmos

Te obwody zostały zaprojektowane do pracy w brutalnie zimnych środowiskach. Wyobraź sobie zastosowania na powierzchni Księżyca czy w odległych zakątkach Układu Słonecznego, gdzie temperatury spadają daleko poniżej wszystkiego, co znamy na Ziemi. Przyszłe sondy kosmiczne i łaziki mogłyby nieść systemy obliczeniowe, które rozkwitają tam, gdzie dzisiejsza elektronika po prostu by się poddała.

Oczywiście, jesteśmy dopiero na początku. To wciąż wczesne badania z dużym polem do inżynieryjnej pracy, zanim zobaczymy praktyczne implementacje. Ale ten fundamentalny przełom — że możemy tworzyć energooszczędne, neuronopodobne obwody działające w pobliżu zera bezwzględnego przy użyciu mainstreamowych materiałów półprzewodnikowych — wydaje się naprawdę istotny.

Świat obliczeń kwantowych od lat mówi o „skalowaniu", a jedną z największych przeszkód był właśnie ten problem ciepła i okablowania. Jeśli to podejście pozwoli zintegrować elektronikę sterującą bezpośrednio z procesorami kwantowymi, być może patrzymy na ścieżkę do znacznie większych i potężniejszych systemów kwantowych, niż ktokolwiek sądził, że to możliwe.

Całkiem ekscytujące, prawda?

A co myślisz? Czy tego typu kriogeniczne obliczenia Cię poruszają, czy może bardziej fascynuje Cię aspekt „mózg na chipie"? Podziel się wrażeniami — jestem ciekaw, które elementy tego researchu przykuły Twoją uwagę.