Komputasi Neural Net dalam Air
Mikroprosesor di smartphone, komputer, dan pusat data memproses informasi dengan memanipulasi elektron melalui semikonduktor padat tetapi otak kita memiliki sistem yang berbeda. Mereka mengandalkan manipulasi ion dalam cairan untuk memproses informasi.
Komputasi ionik, bagaimanapun, masih dalam masa-masa awal. Hingga saat ini, laboratorium hanya mengembangkan perangkat ionik individual seperti dioda ionik dan transistor, tetapi belum ada yang menyatukan banyak perangkat tersebut ke dalam rangkaian yang lebih kompleks untuk komputasi -- hingga saat ini.
Sebuah tim peneliti di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), bekerja sama dengan DNA Script, sebuah startup biotek, telah mengembangkan sirkuit ionik yang terdiri dari ratusan transistor ionik dan melakukan proses inti komputasi jaringan saraf .
Penelitian ini dipublikasikan di Advanced Materials.
Para peneliti mulai dengan membangun transistor ionik jenis baru dari teknik yang baru-baru ini mereka rintis. Transistor terdiri dari larutan molekul kuinon berair, dihubungkan dengan dua elektroda cincin konsentris dengan elektroda disk pusat, seperti bullseye. Kedua elektroda cincin secara elektrokimia menurunkan dan menyetel pH lokal di sekitar cakram tengah dengan memproduksi dan menjebak ion hidrogen. Tegangan yang diberikan ke disk tengah menyebabkan reaksi elektrokimia untuk menghasilkan arus ionik dari disk ke dalam air. Laju reaksi dapat dipercepat atau dikurangi -- menaikkan atau menurunkan arus ionik -- dengan menyetel pH lokal. Dengan kata lain, pH mengontrol, atau gerbang, arus ionik disk dalam larutan berair, menciptakan pasangan ionik dari transistor elektronik.Mereka kemudian merekayasa transistor ionik gerbang pH sedemikian rupa sehingga arus disk adalah perkalian aritmatika dari tegangan disk dan parameter "berat" yang mewakili gerbang pH lokal transistor. Mereka mengatur transistor ini ke dalam array 16 × 16 untuk memperluas perkalian aritmatika analog dari masing-masing transistor menjadi perkalian matriks analog, dengan array nilai pH lokal yang berfungsi sebagai matriks bobot yang ditemui di jaringan saraf.
"Perkalian matriks adalah perhitungan paling umum dalam jaringan saraf untuk kecerdasan buatan," kata Woo-Bin Jung, rekan postdoctoral di SEAS dan penulis pertama makalah tersebut. "Sirkuit ionik kami melakukan perkalian matriks dalam air dengan cara analog yang sepenuhnya didasarkan pada mesin elektrokimia."
"Mikroprosesor memanipulasi elektron secara digital untuk melakukan perkalian matriks," kata Donhee Ham, Profesor Teknik Elektro dan Fisika Terapan Gordon McKay di SEAS dan penulis senior makalah ini. "Sementara sirkuit ionik kami tidak bisa secepat atau seakurat mikroprosesor digital, perkalian matriks elektrokimia dalam air sangat menarik, dan berpotensi hemat energi."
Sekarang, tim berupaya memperkaya kompleksitas kimiawi sistem.
"Sejauh ini, kami hanya menggunakan 3 hingga 4 spesies ionik, seperti ion hidrogen dan kuinon, untuk mengaktifkan gerbang dan transportasi ion dalam transistor ionik berair," kata Jung. "Akan sangat menarik untuk menggunakan spesies ionik yang lebih beragam dan untuk melihat bagaimana kita dapat memanfaatkannya untuk memperkaya konten informasi yang akan diproses."
Penelitian ini ditulis bersama oleh Han Sae Jung, Jun Wang, Henry Hinton, Maxime Fournier, Adrian Horgan, Xavier Godron, dan Robert Nicol. Itu didukung sebagian oleh Kantor Direktur Intelijen Nasional (ODNI), Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), di bawah hibah 2019-19081900002.