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![Michael Berger](https://miro.medium.com/v2/resize:fill:88:88/1*D1jYJ_h6330E9Oiygn0mMw.jpeg)
Durante décadas, los chips informáticos de silicio se han adherido a la Ley de Moore, lo que ha impulsado un crecimiento exponencial de la potencia informática. Sin embargo, esta miniaturización despiadada enfrenta límites físicos a medida que los componentes se acercan al rango cuántico. Una idea futurista intenta imitar la biología utilizando iones en lugar de electrones para procesar información.
La increíble eficiencia energética del cerebro ha inspirado este alejamiento radical de la electrónica convencional. Utilizando iones en lugar de electrones, el cerebro procesa información y realiza cálculos con un consumo mínimo de energía. El uso de iones acuosos para los cálculos representa un intento de imitar la señalización biológica de iones del cerebro.
Montar las corrientes iónicas: cómo se comunican las células cerebrales
El cerebro contiene miles de millones de neuronas que se comunican entre sí para procesar información. Las neuronas son células con un cuerpo central y procesos largos llamados axones y dendritas.
Las neuronas se comunican enviando señales eléctricas a lo largo de sus axones. Estas señales se crean mediante el movimiento de átomos cargados llamados iones, como el sodio, el potasio y el calcio. En reposo, la neurona tiene diferentes concentraciones de estos iones dentro y fuera de su membrana celular.
Cuando una neurona necesita enviar una señal, se abren pequeñas estructuras parecidas a poros en la membrana celular, lo que permite que ciertos iones fluyan dentro o fuera de la célula. Este movimiento de iones crea un voltaje o señal que se propaga a lo largo del axón.
El axón está conectado a las dendritas de otras neuronas. Cuando la señal eléctrica llega al final del axón, desencadena la liberación de moléculas mensajeras químicas llamadas neurotransmisores.
Los neurotransmisores pasan a través de pequeños espacios, llamados sinapsis, entre los axones y las dendritas. Se unen a receptores en las dendritas de la neurona receptora, lo que hace que allí también se abran canales iónicos.
Esto permite que los iones fluyan hacia la neurona receptora y generen otra señal eléctrica. De esta forma, la señal se transmite de neurona a neurona a lo largo de cadenas de axones y dendritas mediante corrientes iónicas coordinadas.
Esta señalización iónica permite a las neuronas comunicar señales rápidamente a largas distancias y formar circuitos y vías en el cerebro. Los complejos patrones de transmisión de señales neuronales subyacen al procesamiento y cálculo de la información en el cerebro.
Al imitar aspectos de estas corrientes iónicas biológicas en soluciones acuosas artificiales, los investigadores esperan recrear algunas de las increíbles capacidades computacionales del cerebro en nuevos dispositivos de computación iónica.
Los circuitos iónicos y electrónicos tienen diferencias fundamentales.
Si bien los iones se mueven más lentamente que los electrones, los investigadores esperan que los circuitos iónicos artificiales puedan acercarse a la eficiencia energética extrema de sus homólogos biológicos. Si tiene éxito, la computación de iones acuosos podría permitir una nueva clase de dispositivos de potencia ultrabaja inspirándose en el cerebro.
Los circuitos iónicos funcionan según un principio fundamentalmente diferente al de los circuitos electrónicos y se basan en el movimiento de átomos o moléculas cargadas disueltas en soluciones líquidas, en lugar del flujo de electrones en materiales semiconductores sólidos. Esta distinción subyacente conduce a una serie de contrastes importantes entre los dos enfoques.
Los iones se mueven mucho más lentamente a través de soluciones acuosas que los electrones que fluyen rápidamente en la electrónica, lo que limita la velocidad a la que los circuitos iónicos pueden realizar cálculos. La lenta movilidad de los iones es una limitación importante a la que se enfrentan los sistemas iónicos en comparación con las rápidas velocidades de los procesadores electrónicos modernos. Sin embargo, las interacciones químicas posibles en los líquidos iónicos permiten ajustar las propiedades de los componentes de una manera que no es posible con materiales rígidos de estado sólido. Por ejemplo, la computación iónica tiene como objetivo lograr el consumo de energía extremadamente bajo que se encuentra en la señalización de iones biológicos, mientras que la electrónica es inherentemente más intensiva en energía.
Otro contraste surge en la escalabilidad, ya que la miniaturización de circuitos iónicos enfrenta desafíos derivados de limitaciones de fluidos a las que la electrónica no está sujeta. Las técnicas de microfabricación han permitido reducir la electrónica a tamaños diminutos. Por otro lado, la diversidad de especies iónicas ofrece oportunidades para codificar representaciones de información más ricas en comparación con señales electrónicas simples.
A pesar de sus diferencias fundamentales, cada enfoque ofrece distintas ventajas que sugieren que la combinación de circuitos iónicos y electrónicos podría conducir a arquitecturas híbridas con capacidades novedosas. Los componentes iónicos podrían proporcionar nuevos mecanismos informáticos flexibles y de bajo consumo, mientras que la electrónica proporciona interconectividad e interfaces eficientes. Diferentes señales iónicas podrían facilitar la detección y los algoritmos adaptativos, complementados con la sólida lógica digital de la electrónica.
En lugar de competir, estos diferentes sustratos informáticos pueden lograr sinergias integradoras mediante la hibridación. Las combinaciones iónicas/electrónicas siguen siendo una frontera apasionante e inexplorada que promete aplicaciones prometedoras que son difíciles de lograr con cualquiera de las tecnologías por sí sola.
Construcción de circuitos iónicos.
Sin embargo, hasta ahora los iones acuosos se han centrado en componentes individuales como diodos y transistores. Pero en un paso importante, los investigadores conectaron recientemente 256 nuevos transistores de iones electroquímicos en un circuito de matriz de 16×16 completamente funcional. Este trabajo innovador, publicado en Advanced Materials, ofrece una visión interesante del potencial de las arquitecturas de computación iónica.
En el corazón de este logro se encuentra un inteligente diseño de transistor de iones con un electrodo de disco central rodeado por dos electrodos de anillo. Al hacer pasar corrientes de polaridad opuesta a través de los anillos, el equipo crea aumentos locales en las concentraciones de dos tipos de moléculas cargadas alrededor del disco. Esto ajusta la velocidad de reacción electroquímica en el electrodo de disco para que la corriente del anillo pueda controlar la corriente de salida del disco.
Para ampliar esto, los investigadores fabricaron una serie de 256 transistores de iones en un chip de computadora. Primero, realizaron cálculos analógicos de multiplicación-acumulación (MAC) en un circuito iónico. MAC implica multiplicar una entrada por un peso y acumular el resultado, una operación fundamental de aprendizaje automático. En el sistema iónico, la corriente del anillo determina el peso, el voltaje del disco es la entrada y las corrientes del disco se acumulan.
Esta técnica podría aumentar significativamente la eficiencia energética de MAC en comparación con los chips digitales y acercarnos a la informática bioinspirada. Aunque se limitó a pesos/entradas binarias, estuvo de acuerdo con las predicciones teóricas y demostró el concepto. Lo más ambicioso fue que el equipo realizó una multiplicación de vectores matriciales con MAC en los 256 transistores.
Los investigadores señalan desafíos como la lenta respuesta de los transistores y la falta de vías iónicas independientes. Sin embargo, los avances en la tecnología de chips podrían ayudar. Sin embargo, en principio, la movilidad de los iones limita la velocidad en comparación con la electrónica. En cambio, la atención se centra en nuevas capacidades, como el uso de diferentes tipos de iones para codificar grandes cantidades de información.
Este trabajo innovador sugiere que los iones acuosos podrían complementar la electrónica de estado sólido para aplicaciones informáticas especializadas de potencia ultrabaja. Con un mayor desarrollo, los circuitos iónicos podrían mejorar en términos de velocidad y tamaño. Sin embargo, es probable que sus ventajas poco convencionales abran nuevas aplicaciones a las que el silicio estándar no puede acceder fácilmente. Este descubrimiento marca el comienzo de una nueva y apasionante era experimental en las arquitecturas informáticas iónicas.
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