Грибы все помнят
Ученые из Университета американского штата Огайо обнаружили, что сети (грибницы) грибов шиитаке могут функционировать как устройства хранения данных. Как пишет портал Neowin, это может стать прорывом в вопросе борьбы с глобальным кризисом оперативной и флеш-памяти. Эти модули в жутком дефиците из-за вездесущего искусственного интеллекта и потому стоят очень дорого, в результате чего цены почти на всю современную электронику довольно быстро растут.
Свое исследование ученые опубликовали в журнале PLOS ONE. Они изучали возможность использования обычных съедобных грибов для создания органических мемристоров. Мемристор – это электронный компонент, способный запоминать предыдущие электрические состояния даже после отключения питания. Эти устройства считаются важным «стройматериалом» для будущих вычислительных систем, которые будут работать больше по принципу человеческого мозга.
Съесть информацию
В рамках своего исследования ученые сконцентрировали все свое внимание на двух видах грибов, которые человечество выращивает в очень больших масштабах. Это шиитаке и шампиньоны, которые широко применяются в блюдах десятков стран мира и столь же широко распространены. Шиитаке также используются в современной косметике и в традиционной медицине многих азиатских стран. Выращивать эти грибы можно как в специальном субстрате, так и на самых обычных древесных бревнах.
Исследователи стремились понять можно ли адаптировать природные электрические свойства шиитаке и шампиньонов для вычислительных целей. Их результаты показали, что мемристоры на основе грибов демонстрируют воспроизводимое поведение памяти, аналогичное полупроводниковым устройствам.
Промежуточный вывод ученых заключается в том, что грибные системы вполне способны поддерживать нейроморфные вычисления, то есть проводить несколько вычислений параллельно, одновременно, при минимальном потреблении энергии на выполнение одной задачи.
Ведущий автор исследования Джон Ларокко (John LaRocco), научный сотрудник в области психиатрии в Медицинском колледже Университета штата Огайо, заявил, что такой подход может повысить эффективность будущих вычислительных систем. «Возможность разрабатывать микрочипы, имитирующие реальную нейронную активность, означает, что вам не потребуется много энергии в режиме ожидания или когда машина не используется, – сказал он. – Это может стать огромным потенциальным вычислительным и экономическим преимуществом».
Суть исследования
В рамках эксперимента ученые тестировали возможности мицелия – сети тончайших грибковых нитей, которые объединяют грибы и находятся под землей. По мицелию электрические сигналы, похожие на нейронные импульсы, распространяются по всей сети грибов.
Ученые выращивали шампиньоны и шиитаке, обезвоживали их, но при этом сохраняли им жизнеспособность. Затем грибы при помощи специальных электродов подключались к электронным схемам с целью проверить, могут ли они передавать данные при разных параметрах тока – частоты и напряжения.
«Мы подключали электрические провода и зонды в разных точках грибов, потому что разные их части имеют разные электрические свойства, – сказал Ларокко. – В зависимости от напряжения и способа подключения мы наблюдали разные результаты».
В течение двух месяцев исследователи оценивали мемристоры на основе грибовидных структур как оперативную память. Опыты показали, что устройства могут переключаться между электрическими состояниями с частотой до 5,85 кГц, то есть они меняют состояния примерно 5850 раз в секунду. В ходе этих тестов они достигли точности 90 ± 1%, что указывает на то, что устройства работали правильно примерно в 90% случаев, с небольшими отклонениями между повторными экспериментами.
Но производительность грибных мемристоров снижалась с увеличением частоты электрического тока. Однако исследователи обнаружили, что добавление большего количества грибов в цепь улучшало результаты, и это поведение они сравнили с тем, как группы нейронов взаимодействуют друг с другом в мозге.
Шанс есть
Соавтор исследования Кудсия Тахмин (Qudsia Tahmin), доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете штата Огайо, заявила, что полученные результаты демонстрируют, что грибы можно запрограммировать и сохранить для выполнения функций, обычно не связанных с биологическими материалами.
Исследователи заявили, что гибкость грибковых материалов позволит адаптировать будущие вычислительные системы для различных целей. Более крупные грибковые сети потенциально могут поддерживать граничные вычисления, где данные обрабатываются ближе к месту сбора, а не полностью зависят от удаленных центров обработки данных. Это может уменьшить задержки и снизить сетевой трафик. Более мелкие грибковые системы в конечном итоге могут найти применение в автономных системах и носимых устройствах.
Исследование также указывает на еще одну характеристику грибов шиитаке, которая может сделать их полезными не только в традиционных вычислительных системах. Предыдущие исследования показали, что шиитаке обладают радиационной стойкостью, то есть могут продолжать функционировать после воздействия ионизирующего излучения, способного повредить многие электронные системы. Поскольку космические аппараты работают в условиях постоянной радиации, исследователи предполагают, что грибные вычислительные материалы в конечном итоге могут найти применение в аэрокосмической отрасли. Однако в данном исследовании не проводились прямые испытания вычислительных устройств на основе грибов в космических условиях.
Выгода во всем
Использование грибов в качестве сырья для производства устройств хранения информации выгодно и в том плане, что традиционные микросхемы делают при использовании многих редкоземельных материалов, добыча которых стоит денег.
По мнению исследователей, материалы на основе грибов могут предложить более простую и экологичную альтернативу. Грибы биоразлагаемы, их можно выращивать, а не производить с помощью энергоемких промышленных процессов, и они могут снизить потребность в некоторых сырьевых материалах, используемых в традиционных электронных устройствах.
Ларокко отметил, что грибы и раньше изучались в контексте электронных приложений, но сказал, что новое исследование рассматривает, насколько далеко можно продвинуться в разработке мемристорных систем на основе грибов.«Мицелий как вычислительная подложка уже исследовался ранее в менее интуитивно понятных установках, но наша работа направлена на то, чтобы довести одну из этих мемристорных систем до предела ее возможностей», – заявил ученый.
Придется подождать
Как долго продлится кризис памяти, никто не может сказать наверняка. По одним прогнозам, его пиковая фаза придется на 2026 г., по другим – дефицит продлится как минимум до 2028 г.
Успеют ли ученые за это время превратить шиитаке в аналоги микросхем RAM – вопрос открытый. С одной стороны, результаты исследования весьма многообещающие, с другой, сами ученые отмечают, что грибные компьютеры все еще находятся на ранней стадии развития.
Используемые в экспериментах мемристоры на основе грибов все еще значительно крупнее компонентов, применяемых в современных электронных устройствах. Будущие исследования будут сосредоточены на улучшении методов выращивания грибов, уменьшении размеров устройств, повышении их производительности и понимании того, как можно более точно контролировать электрические сигналы, передаваемые грибами.
Поделиться
