Los científicos están siguiendo los propios diseños de la naturaleza en el desarrollo de microprocesadores iónicos, que podrían resultar especialmente eficientes desde el punto de vista energético en comparación con los procesadores tradicionales basados en semiconductores.
Como se publicó en Advanced Materials, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), en colaboración con la startup de biotecnología DNA Script, ha desarrollado un circuito iónico que comprende cientos de transistores iónicos. Incluso han realizado un proceso central de computación de redes neuronales dentro de él: el software húmedo se está convirtiendo cada vez menos en una palabra de moda de ciencia ficción.
El diseño del procesador iónico tiene como objetivo traer aprendizajes de los sistemas de procesamiento de la biología, particularmente del cerebro, para crear procesadores que utilicen electroquímica en lugar de electricidad para realizar cálculos. La investigación pinta los procesadores iónicos como una tecnología probable para desarrollar y escalar hacia el futuro, donde sus diseños de eficiencia energética podrían ser valiosos para ciertos escenarios de implementación.
Todavía es pronto para la tecnología, ya que los investigadores acaban de montar la primera placa de circuito que en realidad contenía cientos de transistores iónicos; hasta ahora, solo se habían mostrado transistores iónicos individuales. Por lo tanto, la investigación allana el camino para que los procesadores reales se creen operando cientos, miles o incluso millones, de transistores iónicos en tándem.
El circuito iónico del investigador se creó multiplicando el número de transistores iónicos individuales que pueden operar juntos. Su diseño de transistor iónico consiste en una solución acuosa de moléculas de quinona, interconectadas con dos electrodos de anillo concéntrico (azul y rojo) con un tercer electrodo de disco central (amarillo), formando esencialmente un diseño de transistor tipo diana.
Al pasar voltaje a través del transistor, los dos electrodos de anillo concéntrico pueden ajustar localmente el pH del agua al aumentar o disminuir la cantidad de iones de hidrógeno presentes en ella. Este cambio, una proeza de la electroquímica, permite el uso de la corriente iónica del transistor como un interruptor de encendido y apagado, conocido como portón, en los transistores de los que estamos acostumbrados a escuchar. Esta activación de la corriente iónica a través de cambios en el pH del transistor desbloquea la capacidad de los transistores para procesar información binaria.
Los investigadores ajustaron aún más el diseño de su microprocesador, colocando estos transistores analógicos (capaces de representar un 0 o un 1) en una matriz de cuadrícula de 16 x 16. Esto permitió que el procesador iónico realizara tareas de multiplicación de matriz, acercándolo a las capacidades de una red neuronal y aumentando su valor para escenarios de procesamiento de inteligencia artificial que podrían requerir requisitos muy específicos de equilibrio de potencia/rendimiento.
“La multiplicación de matrices es el cálculo más frecuente en las redes neuronales para la inteligencia artificial”, dijo Woo-Bin Jung, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo. “Nuestro circuito iónico realiza la multiplicación de la matriz en el agua de manera analógica y se basa completamente en maquinaria electroquímica”.
La compensación es que son más lentos, pero en comparación con la luz, todo lo es. Los investigadores ahora esperan seguir desarrollando sus procesadores iónicos al permitirles aprovechar una mayor cantidad de reacciones electroquímicas, como aumentar los tipos de iones que se manipulan para procesar información. Los investigadores todavía pueden esperar programar funciones adicionales en estos sistemas.
Eso, junto con el aumento en la cantidad de transistores disponibles, debería brindar beneficios de rendimiento al tiempo que abre los procesadores iónicos a tareas más variadas y a la computación real específica o de propósito general.
«Hasta ahora, hemos utilizado solo de 3 a 4 especies iónicas, como iones de hidrógeno y quinona, para permitir el transporte iónico y de activación en el transistor iónico acuoso», dijo Jung. “Será muy interesante emplear especies iónicas más diversas y ver cómo podemos explotarlas para enriquecer el contenido de la información a procesar”.