Investigadores de la Universidad Estatal de Washington han construido un dispositivo de prueba de concepto que incluye uno de los circuitos cruciales para la computación neuromórfica, el memristor, construido a partir de un medio poco probable: la miel. Los investigadores esperan que su investigación allane el camino para sistemas informáticos biodegradables, sostenibles y de base orgánica que sean mucho más eficientes que las arquitecturas informáticas convencionales.
Para construir el dispositivo, los investigadores procesaron miel real de origen de abeja en una forma sólida sostenida entre dos electrodos de metal, al igual que las sinapsis en su cerebro se encuentran entre pares de neuronas. Luego se probó la capacidad del dispositivo para encenderse y apagarse rápidamente a velocidades que oscilan entre 100 y 500 nanosegundos con respecto a sus contrapartes biológicas, y tuvo éxito.
«Este es un dispositivo muy pequeño con una estructura simple, pero tiene una funcionalidad muy similar a una neurona humana», dijo Feng Zhao, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación de WSU, en el anuncio. millones o miles de millones de estos memristores de miel juntos, para que puedan convertirse en un sistema neuromórfico que funcione como un cerebro humano».
La computación neuromórfica se encuentra en la encrucijada entre la evolución tecnológica y la biológica. Los diseños neuromórficos tienen como objetivo imitar el funcionamiento de las neuronas y sinapsis de nuestro cerebro (desarrolladas durante millones de años de evolución) para desbloquear mejoras de orden de magnitud tanto en el poder de cómputo como en la eficiencia energética. La diferencia abismal en eficiencia no puede subestimarse: la supercomputadora más poderosa del mundo, la japonesa Fugaku, consume un promedio de 28 millones de vatios. Sí, puede resolver problemas que nuestro cerebro no puede; Pero lo contrario también es cierto. Las computadoras modernas todavía carecen de la chispa de creatividad que proviene (al menos parcialmente) de la capacidad de combinar información conocida de nuevas formas, mientras consumen alrededor de 10W a 20W de energía. Los memristores, con su capacidad para procesar y almacenar datos, son esenciales para lograr niveles comparables de eficiencia.
Los sistemas convencionales, como las mejores PC para juegos de la actualidad, se basan en el diseño de Von Neumann, una arquitectura computacional propuesta en 1945 por su creador homónimo. Esto requiere que el sistema informático se diseñe con mecanismos de entrada, como un teclado, un mouse o una pantalla táctil, junto con un medio de salida (como un monitor de computadora). Y para procesar las entradas y convertirlas en la salida deseada, las arquitecturas de Von Neumman incluyen una CPU y bases de datos de almacenamiento, como cachés internas (que solo han crecido en tamaño a lo largo de los años) y bancos de memoria externos (como RAM). Esto les permite almacenar los resultados intermedios y finales del cálculo, así como los conjuntos de instrucciones cruciales que guían los transistores de la CPU a través de sus cargas de trabajo.
Las arquitecturas basadas en Von Neumann son la base de los sistemas informáticos modernos. (Crédito de la imagen: Kaphoot a través de Wikipedia)
La distancia física que separa los elementos informáticos del almacenamiento incurre en penalizaciones de rendimiento y eficiencia energética. Esto solo aumenta a medida que es necesario recuperar los datos, que es una de las razones para desarrollar cachés en la CPU (de las cuales 3D V-Cache de AMD es un ejemplo adecuado) que apuntan a reducir la distancia entre el almacenamiento y los elementos de la informática.
Si bien los investigadores analizaron varios materiales orgánicos como candidatos para el diseño de memristores, como proteínas, azúcares y otros compuestos orgánicos, la miel mostró las características más prometedoras.
«La miel no se echa a perder», dijo Zhao. «Tiene una concentración de humedad muy baja, por lo que las bacterias no pueden sobrevivir en él. Eso significa que estos chips de computadora serán muy estables y confiables durante mucho tiempo».
Otro elemento importante de los posibles sistemas neuromórficos a base de miel es su extrema biodegradabilidad, lo que ayudaría a reducir toneladas de desechos electrónicos derivados de dispositivos electrónicos obsoletos o defectuosos a base de silicio.
«Cuando queremos desechar dispositivos que usan chips de computadora hechos de miel, podemos disolverlos fácilmente en agua», continuó Zhao. «Debido a estas propiedades especiales, la miel es muy útil para crear sistemas neuromórficos renovables y biodegradables». Esto plantea desafíos no solo para aquellos de nosotros que tenemos la mala suerte de hacer que derramar café sobre la electrónica sea un deporte personal, sino también para el eventual despliegue de estas soluciones en entornos menos manejables.
Sin embargo, todavía queda trabajo por hacer en el enfoque de memristor basado en miel. Uno de los próximos objetivos de investigación es miniaturizar aún más el elemento informático. Si bien el diseño actual está en una microescala (aproximadamente del tamaño de un cabello humano), el equipo tiene la intención de reducir su tamaño relativo a la nanoescala (aproximadamente 1/1000 más pequeño). No hay forma de eludir este requisito de escala: solo a nanoescala los dispositivos podrán contener millones e incluso miles de millones de estos elementos informáticos, la cantidad que se considera necesaria para sistemas neuromórficos útiles.
A pesar de lo prometedora que es la investigación, eventualmente podría verse afectada por la población de abejas cada vez más amenazada del mundo. Pero, de nuevo, es probable que nos enfrentemos a desafíos mucho más difíciles que perder la capacidad de implementar sistemas informáticos neuromórficos basados en miel.
