Fig. 1 Nel calcolo dei giacimenti, la propagazione dell'informazione è come onde increspate sulla superficie di un corpo idrico; quindi, viene utilizzato il termine "serbatoio". L'elettrodo subacqueo raffigurato è l'attuale elettrodo multiterminale utilizzato in questo studio. Credito:Megumi Akai-Kasaya et al.
Dopo molti decenni di sviluppi sorprendenti, i progressi nell'informatica basata su semiconduttori stanno iniziando a rallentare man mano che i transistor raggiungono i loro limiti fisici in termini di dimensioni e velocità. Tuttavia, i requisiti per l'informatica continuano a crescere, soprattutto nell'intelligenza artificiale, dove le reti neurali hanno spesso diversi milioni di parametri. Una soluzione a questo problema è il reservoir computing e un team di ricercatori guidato dall'Università di Osaka, con i colleghi dell'Università di Tokyo e dell'Università di Hokkaido, ha sviluppato un semplice sistema basato su reazioni elettrochimiche in corrente di Faradic che ritengono possa far ripartire gli sviluppi in questo campo.
Il calcolo del serbatoio è un'idea relativamente recente nel campo dell'informatica. Invece dei tradizionali programmi binari eseguiti su chip a semiconduttore, per eseguire gran parte del calcolo vengono utilizzate le reazioni di un sistema dinamico non lineare, il serbatoio. Vari sistemi dinamici non lineari dai processi quantistici ai componenti laser ottici sono stati considerati come serbatoi. In questo studio, i ricercatori hanno esaminato la conduttanza ionica delle soluzioni elettrochimiche.
"Il nostro semplice dispositivo di test è costituito da 90 paia di elettrodi planari con una soluzione ionica caduta sulla sua superficie", spiega la professoressa Megumi Akai-Kasaya, autrice principale dello studio. "La tensione di risposta alla tensione di ingresso viene quindi utilizzata come risposta del serbatoio". Questa risposta di tensione è dovuta sia alle correnti ioniche che passano attraverso la soluzione che alla corrente elettrochimica. Questa relazione input-output è sia non lineare che riproducibile, il che la rende adatta per l'uso nel calcolo dei giacimenti. Un esclusivo sistema di acquisizione dati a più vie sul dispositivo controlla i nodi di lettura, che consente il test parallelo.
Fig. 2 Calcolo fisico del giacimento e costruzione di un giacimento a base molecolare. (a) Struttura del calcolo tradizionale dei giacimenti. (b) Concetto del nostro sistema di calcolo del serbatoio fisico. Credito:Megumi Akai-Kasaya et al., Scienza avanzata
I ricercatori hanno utilizzato il dispositivo per valutare due liquidi:molecole di poliossometallato in soluzione e acqua deionizzata. Il sistema mostrava una "connessione feedforward" tra i nodi, indipendentemente dal campione utilizzato. Tuttavia, c'erano differenze. "La soluzione di poliossometallato ha aumentato la diversità della corrente di risposta, il che la rende efficace nella previsione dei segnali periodici", afferma il professor Akai-Kasaya. "Ma si scopre che l'acqua deionizzata è la migliore per risolvere problemi non lineari di secondo ordine". Le buone prestazioni di queste soluzioni dimostrano il loro potenziale per attività più complicate, come il riconoscimento dei caratteri della scrittura a mano, il riconoscimento di parole isolate e altre attività di classificazione.
Fig. 3 (a) Struttura della molecola di poliossometallato (POM). (b) Schematic of the electrochemical-reaction-based reservoir. (c) Responses of the POM solution (left) and deionized water (right) to a sinusoidal signal and their prediction performances on a quadruple sine (QDW) target signal. (d) Prediction performances of the POM solution and water on a nonlinear target signal. Credit:Megumi Akai-Kasaya et al., Advanced Science
The researchers believe that proton or ion transfer with minimal electrochemical reactions over short durations has the potential for development as a more computationally powerful computing system that is low in cost and energy efficient. The simplicity of the proposed system opens up exciting new opportunities for developing computing systems based on electrochemical ion reactions.
