Пересечение пчелиного улья и Кремниевой долины

В мире, где наши жизни как никогда тесно переплетены с ритмом компьютерных процессоров, мысль о том, что решение величайших технологических проблем будущего скрыто в пчелином улье, больше похожа на научную фантастику, чем на научный факт. Мы живем в эпоху данных; в мире, где искусственный интеллект, Интернет вещей и большие данные — это уже не фантастические термины, а сама основа нашей экономики, культуры и коммуникаций. Но этот удивительный прогресс дался дорогой ценой. Под блестящей оболочкой инноваций назревает тройной кризис: конец золотого правила, цунами энергопотребления и гора токсичных отходов. На этом историческом перепутье, где путь прогресса, кажется, зашел в тупик, ученые, обратившись к природе, нашли удивительный ответ: мёд.

Эта статья — не короткая новостная заметка; это глубокое погружение в сердце этой тихой революции. Сначала мы раскроем фундаментальные проблемы современных вычислений, от физических ограничений кремния до его разрушительного воздействия на окружающую среду. Затем мы отправимся в удивительный мир нейроморфных вычислений — парадигмы, которая, вместо того чтобы следовать законам машин, черпает вдохновение в уникальной архитектуре человеческого мозга. Наконец, мы подойдем к великому открытию инженеров из Университета штата Вашингтон (WSU) и рассмотрим, как мёд, это древнее и целебное вещество, может стать основным строительным блоком для производства чипов, которые не только мощнее и энергоэффективнее, но и полностью биоразлагаемы. Эта история повествует о маловероятном, но многообещающем союзе природы и технологий и о начале новой главы на пути к более устойчивому будущему.

Тихий кризис в сердце цифрового мира

На протяжении десятилетий компьютерная индустрия развивалась на основе простого и мощного предсказания, известного как закон Мура. Этот закон, предложенный Гордоном Муром, сооснователем Intel, в 1965 году, гласил, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться примерно каждые два года. Это увеличение плотности означало более быстрые, меньшие по размеру и более дешевые компьютеры. Но эта золотая эра подходит к концу. Мы упираемся в стены фундаментальной физики.

1. Смерть закона Мура и физические ограничения

Сегодняшние транзисторы стали настолько малы (порядка нескольких нанометров), что странные квантовые явления начали вызывать сбои. Явление, называемое квантовым туннелированием, приводит к тому, что электроны "просачиваются" через очень тонкие стенки транзистора, даже когда он должен быть выключен. Это приводит к ошибкам в вычислениях и интенсивному выделению тепла. Дальнейшее уплотнение транзисторов порождает еще больше тепла, отвод которого сам по себе стал огромной инженерной задачей. Проще говоря, мы достигли физического предела атомов и больше не можем продолжать экспоненциально наращивать мощность за счет уменьшения кремниевых компонентов.

2. Энергетическое цунами

Возможно, вы не знаете, но цифровая инфраструктура мира является одним из крупнейших потребителей энергии. Центры обработки данных, которые размещают веб-сайты, социальные сети и облачные сервисы, в одиночку потребляют от 1 до 2 процентов всей электроэнергии в мире; это количество превышает потребление электроэнергии многих стран. Обучение передовых моделей искусственного интеллекта, таких как GPT-3, может потребовать столько же энергии, сколько потребляют сотни домохозяйств за год. Этот ненасытный голод по энергии не только сопряжен с ошеломляющими затратами, но и напрямую способствует увеличению выбросов парниковых газов и усугубляет климатический кризис. Современная архитектура компьютеров по своей природе энергозатратна, и по мере роста спроса на вычисления эта проблема будет только усугубляться.

3. Гора электронных отходов (E-Waste)

Каждый смартфон, ноутбук или сервер, выведенный из эксплуатации, становится токсичной бомбой замедленного действия. Ежегодно во всем мире образуется более 50 миллионов тонн электронных отходов, большая часть которых не перерабатывается должным образом. Компьютерные чипы содержат опасные материалы, такие как свинец, ртуть, кадмий и редкоземельные металлы. При попадании в природу эти материалы могут просачиваться в грунтовые воды и почву, создавая серьезные риски для здоровья человека и экосистемы. Процесс добычи этих материалов также часто сопровождается широкомасштабным разрушением окружающей среды и нарушениями прав человека. Этот цикл "производство, использование и утилизация" больше не является устойчивым, и мир отчаянно нуждается в "зеленой" альтернативе.

Решение от природы, архитектура, вдохновленная мозгом

Столкнувшись с этим тройным кризисом, ученые, вместо того чтобы пытаться дальше оптимизировать несовершенную систему, начали искать совершенно новую парадигму. Они обратились к природе, чтобы найти самый эффективный компьютер в мире, и они его нашли: человеческий мозг. Ваш мозг, прямо сейчас, когда вы читаете этот текст, выполняет сложные вычисления, которые бросают вызов самым мощным суперкомпьютерам мира, и все это при потреблении меньшего количества энергии, чем лампочка накаливания (около 20 ватт).

1. Фундаментальное различие: архитектура фон Неймана против мозга

Почти все современные компьютеры используют архитектуру фон Неймана. В этой архитектуре "процессор" (CPU) и "память" (RAM) — это два совершенно отдельных блока. Для выполнения любого вычисления данные должны постоянно передаваться из памяти в процессор, а результаты — обратно в память. Это постоянное перемещение туда и обратно создает серьезное "узкое место", называемое "бутылочным горлышком фон Неймана", которое приводит к серьезной потере времени и энергии. Представьте себе повара (процессор), которому, чтобы взять каждый ингредиент (данные), приходится выходить из кухни и идти на склад (память). Этот процесс очень медленный и неэффективный.

Но человеческий мозг устроен иначе. В мозге обработка и память происходят в одном и том же месте. Каждый из 100 миллиардов нейронов мозга является одновременно и небольшим процессором, и ячейкой памяти. Они соединены друг с другом через 1000 триллионов связей, называемых синапсами. Эта параллельная и распределенная структура позволяет мозгу обрабатывать огромный объем информации одновременно и с очень низким энергопотреблением. Именно эту архитектуру и стремится эмулировать нейроморфное вычисление.

2. Мемристор: недостающий элемент для эмуляции синапса

Для создания нейроморфных компьютеров требовался новый электронный компонент, который мог бы действовать как синапс. Синапсы — это пластичные соединения; это означает, что сила их связи меняется в зависимости от прошлого опыта, и это является основой обучения и памяти. В 1971 году теоретик по имени Леон Чуа предсказал существование четвертого электронного компонента (наряду с резистором, конденсатором и индуктором) и назвал его мемристором (Memristor = Memory + Resistor). Мемристор — это резистор с памятью. Его сопротивление изменяется в зависимости от величины тока, который ранее через него прошел, и он "запоминает" это изменение даже после отключения тока.

Это было именно то, что нужно инженерам для симуляции синапса. Мемристор может как обрабатывать данные, изменяя свое сопротивление, так и хранить их, сохраняя то же самое сопротивление. Этот компонент является ключом к преодолению "бутылочного горлышка фон Неймана" и созданию чипов, которые действительно думают как мозг. Но создание эффективных, стабильных и дешевых мемристоров до сих пор было серьезной проблемой, часто требующей использования странных и токсичных материалов.

Великое открытие в Университете штата Вашингтон - медовый мемристор

Именно здесь наша история достигает своего апогея. Команда инженеров из Университета штата Вашингтон (WSU) под руководством профессора Фэн Чжао в поисках идеального материала для создания мемристора обратила внимание на вариант, который человечество знает и потребляет тысячи лет: мёд.

1. От улья до лаборатории: как мёд становится электронным компонентом

Первоначальная идея может показаться странной, но химические свойства мёда делают его прекрасным кандидатом. Исследовательская группа сначала обработала натуральный мёд, чтобы превратить его в твердый и стабильный материал. Затем они поместили этот твердый мёд в виде очень тонкого слоя (толщиной с человеческий волос) между двумя металлическими электродами. Эта простая структура образовала полностью функциональный мемристор.

Когда к этой структуре прикладывается электрическое напряжение, электрическое поле заставляет ионы и молекулы, присутствующие в медовой матрице, двигаться. Это движение создает или разрушает очень тонкие проводящие нити внутри мёда. Создание этих нитей резко снижает сопротивление устройства (состояние ВКЛ), а их разрушение увеличивает сопротивление (состояние ВЫКЛ). Поскольку эти нити остаются на месте после снятия напряжения, устройство "запоминает" свое состояние и действует в точности как синапс. Результаты этого исследования, опубликованные в престижном журнале Journal of Physics D: Applied Physics, показали, что этот медовый мемристор может включаться и выключаться с очень высокой скоростью (около 100-500 наносекунд).

"Это очень маленькое устройство с простой структурой, но оно обладает очень похожими функциями на человеческий нейрон. Если мы сможем интегрировать миллионы или миллиарды таких медовых мемристоров вместе, из них можно будет создать нейроморфную систему, которая будет функционировать во многом как человеческий мозг."

2. Почему мёд так хорошо работает? Химия за чудом

Успех мёда как мемристивного материала не случаен и коренится в его уникальном химическом составе:

• Высокая концентрация сахаров: Мёд в основном состоит из фруктозы и глюкозы. Эти органические молекулы имеют многочисленные гидроксильные группы (-OH), которые могут играть ключевую роль в процессе миграции ионов и образовании проводящих нитей.
• Очень низкое содержание влаги: Мёд является гигроскопичным веществом с очень низким содержанием влаги (около 17%). Это свойство, которое предотвращает рост бактерий и порчу мёда, является большим преимуществом в мире электроники. Низкая влажность означает химическую и физическую стабильность устройства и предотвращает нежелательные короткие замыкания.
• Слабокислые свойства: Наличие глюконовой кислоты придает мёду низкий pH, что также способствует его стабильности и антимикробным свойствам и может оказывать положительное влияние на электрохимическое поведение устройства.

Профессор Чжао говорит по этому поводу:

"Мёд не портится. Это означает, что эти компьютерные чипы будут очень стабильными и надежными в течение длительного времени."

Революционные преимущества; за пределами скорости и мощности

Важность медовых мемристоров не сводится только к их электронной производительности. Эта технология представляет собой сдвиг парадигмы в нашем взгляде на производство и утилизацию электронных устройств.

1. Биоразлагаемость: конец кошмара электронных отходов

Это самое большое и важное преимущество. Представьте себе, что однажды, вместо того чтобы хранить старые телефоны в ящике или выбрасывать их в мусор, вы могли бы растворить их основные электронные компоненты в стакане воды. Именно такое видение обещают медовые чипы. Поскольку активный материал этих чипов полностью натуральный и органический, их можно легко растворить в воде в конце срока службы без вреда для окружающей среды. Эта технология имеет потенциал превратить горы электронных отходов в далекое воспоминание и привести электронную промышленность к настоящей циркулярной экономике.

2. Устойчивость и возобновляемость: от шахты до улья

Производство кремниевых чипов требует добычи кремнезема из шахт, его очистки при очень высоких температурах и сложных и энергоемких химических процессов. Многие другие компоненты также требуют редкоземельных металлов, добыча которых часто связана с экологическим и социальным ущербом. В отличие от этого, мёд является полностью возобновляемым ресурсом. Пчелы, эти маленькие инженеры природы, не только производят мёд, но и играют жизненно важную роль в поддержании биоразнообразия и производстве сельскохозяйственной продукции путем опыления. Переход к электронике на основе мёда означает поддержку здоровой экосистемы вместо ее разрушения.

3. Проблемы и путь вперед

Конечно, путь от лабораторного мемристора до коммерческого компьютера полон трудностей. Первая проблема — это масштабируемость. Создание миллиардов наноразмерных медовых мемристоров на одном кристалле требует разработки очень точных технологий производства. Вторая проблема — это однородность. Химический состав натурального мёда незначительно варьируется в зависимости от вида цветка, географического региона и сезона. Для массового производства исследователям необходимо найти способ стандартизации сырья (возможно, с использованием какого-либо искусственного или обработанного мёда), чтобы все мемристоры имели одинаковые характеристики. Наконец, необходимо изучить вопрос стабильности в различных условиях окружающей среды. Хотя эти устройства и породили шутливое предостережение "не проливайте на него кофе", их устойчивость к влажности и температуре окружающей среды должна быть точно спроектирована.

Заключение

Открытие возможностей мёда в создании компьютерных чипов — это больше, чем просто захватывающая инновация. Это знак; знак глубокого изменения в философии технологий. Мы переходим от эпохи, когда технологии достигались ценой разрушения природы, к эпохе, когда технологии вдохновляются природой и сотрудничают с ней. Это зарождающаяся отрасль под названием "зеленая электроника" или "устойчивая электроника", в которой такие материалы, как целлюлоза, белки, а теперь и мёд, заменяют токсичные и неустойчивые материалы.

Путь впереди долог, но перспективы очень радужны: мир, в котором наши электронные устройства будут так же эффективны, как человеческий мозг, и так же совместимы с природой, как пчелиный улей. Возможно, однажды, в не столь отдаленном будущем, самые мощные суперкомпьютеры мира будут обязаны своим существованием усилиям самых маленьких инженеров природы — пчел, и это будет самая сладкая победа для науки и Земли.

📚 Источники

Эта комплексная статья основана на достоверных научных и новостных отчетах и исследованиях:

• Euronews: Honey could be used to make powerful computer chips
• WSU News: Honey holds potential for making brain-like computer chips
• Journal of Physics D: A bio-memristor with honey-based active layer
• Википедия: Закон Мура
• The World Counts: Electronic Waste Facts