Polimery z Clemson - obliczenia równoległe w jednym materiale
Naukowcy z Clemson University stworzyli polimery jonowe umożliwiające jednoczesne przetwarzanie wielu zadań, co może zrewolucjonizować budowę energooszczędnych komputerów neuromorficznych.
Tradycyjne komputery oparte na krzemowych układach scalonych przetwarzają zadania sekwencyjnie, co oznacza, że wykonują operacje logiczne jedna po drugiej. Choć procesory te pracują z ogromną częstotliwością, to ograniczenie staje się barierą przy bardzo złożonych obliczeniach, gdzie konieczne jest jednoczesne analizowanie wielu strumieni danych. Dotychczasowe próby stworzenia systemów obliczeń równoległych wymagały budowy skomplikowanych i energochłonnych struktur elektronicznych, które rozdzielają zadania na wiele oddzielnych rdzeni.
Zespół naukowców z Clemson University w USA, pod kierunkiem prof. Marka Urbana, opracował materiały, które mogą zmienić ten paradygmat. Wyniki badań opublikowane w czasopiśmie „Angewandte Chemie International Edition” opisują syntezę polimerów jonowych (poly(ionic liquids) – PILs) z monomerów cieczy jonowych. W strukturze tych polimerów łańcuchy zawierają sparowane jony dodatnie i ujemne. Kluczowym odkryciem zespołu, w skład którego weszli także Sourav Biswas, Jack Austin i Jiahui Liu, jest wykorzystanie efektu „ion-lock” (blokady jonowej). Polega on na blokowaniu spolaryzowanych jonów w konkretnych miejscach struktury polimeru poprzez oddziaływania polaryzacyjno-dipolarne sterowane polami elektrycznymi.
Mechanizm ten pozwala na wykonywanie wieloliniowych operacji logicznych jednocześnie w obrębie samego materiału. Jak podkreśla prof. Urban, system ten zapewnia zdolność do obliczeń równoległych w sposób analogiczny do procesów zachodzących w ludzkim mózgu. Choć pojedyncza reakcja jonów na pole elektryczne jest procesem wolniejszym niż przełączanie tranzystorów w krzemie, zdolność do jednoczesnego wykonywania wielu zadań rekompensuje tę różnicę. Nowo opracowane polimery jonowe są nietoksyczne i wykazują wyjątkową odporność termiczną – zachowują swoje właściwości w temperaturze do 400 stopni Celsjusza. Są przy tym lżejsze niż tradycyjne baterie, a ich produkcja nie wymaga zaawansowanych i kosztownych procesów inżynieryjnych.
Odkrycie dokonane w Advanced Materials Research Laboratory stanowi fundament dla rozwoju technologii neuromorficznych. Pozwala ono na integrację funkcji magazynowania energii oraz procesów logicznych w jednym materiale, eliminując potrzebę stosowania oddzielnych układów pamięci i procesorów. Obecnie technologia znajduje się na etapie laboratoryjnego dowodu koncepcji (proof-of-concept). Kolejnym krokiem badaczy z Clemson University będzie skalowanie produkcji polimerów oraz testowanie ich w większych układach. W przyszłości materiały te mogą posłużyć do budowy nowej generacji energooszczędnych komputerów, zdolnych do podejmowania autonomicznych decyzji w ekstremalnych warunkach środowiskowych, gdzie tradycyjna elektronika krzemowa mogłaby zawieść.
Zespół naukowców z Clemson University w USA, pod kierunkiem prof. Marka Urbana, opracował materiały, które mogą zmienić ten paradygmat. Wyniki badań opublikowane w czasopiśmie „Angewandte Chemie International Edition” opisują syntezę polimerów jonowych (poly(ionic liquids) – PILs) z monomerów cieczy jonowych. W strukturze tych polimerów łańcuchy zawierają sparowane jony dodatnie i ujemne. Kluczowym odkryciem zespołu, w skład którego weszli także Sourav Biswas, Jack Austin i Jiahui Liu, jest wykorzystanie efektu „ion-lock” (blokady jonowej). Polega on na blokowaniu spolaryzowanych jonów w konkretnych miejscach struktury polimeru poprzez oddziaływania polaryzacyjno-dipolarne sterowane polami elektrycznymi.
Mechanizm ten pozwala na wykonywanie wieloliniowych operacji logicznych jednocześnie w obrębie samego materiału. Jak podkreśla prof. Urban, system ten zapewnia zdolność do obliczeń równoległych w sposób analogiczny do procesów zachodzących w ludzkim mózgu. Choć pojedyncza reakcja jonów na pole elektryczne jest procesem wolniejszym niż przełączanie tranzystorów w krzemie, zdolność do jednoczesnego wykonywania wielu zadań rekompensuje tę różnicę. Nowo opracowane polimery jonowe są nietoksyczne i wykazują wyjątkową odporność termiczną – zachowują swoje właściwości w temperaturze do 400 stopni Celsjusza. Są przy tym lżejsze niż tradycyjne baterie, a ich produkcja nie wymaga zaawansowanych i kosztownych procesów inżynieryjnych.
Odkrycie dokonane w Advanced Materials Research Laboratory stanowi fundament dla rozwoju technologii neuromorficznych. Pozwala ono na integrację funkcji magazynowania energii oraz procesów logicznych w jednym materiale, eliminując potrzebę stosowania oddzielnych układów pamięci i procesorów. Obecnie technologia znajduje się na etapie laboratoryjnego dowodu koncepcji (proof-of-concept). Kolejnym krokiem badaczy z Clemson University będzie skalowanie produkcji polimerów oraz testowanie ich w większych układach. W przyszłości materiały te mogą posłużyć do budowy nowej generacji energooszczędnych komputerów, zdolnych do podejmowania autonomicznych decyzji w ekstremalnych warunkach środowiskowych, gdzie tradycyjna elektronika krzemowa mogłaby zawieść.
Źródło: https://news.clemson.edu/new-materials-show-promise-for-parallel-computing-clemson-university-researchers-say
