Neuromorfiset tietokoneet haastavat kvanttikoneet

Aalto-yliopistossa kehitetyt, helposti valmistettavat orgaaniset ohutkalvot voivat säilöä tietoa yli kymmenen vuotta yhdellä muutaman voltin sähköimpulssilla. Neuromorfisista komponenteista kootut tietokoneet haastavat kvanttitietokoneet tulevaisuuden teknologiana.

Nykyinen komponentti- ja piirilevyteknologia ei kykene hallitsemaan esineiden internetin synnyttämiä datamassoja. Yksikin älykello, siivousrobotti tai itsestään ajava auto voi tuottaa gigatavuittain dataa päivässä, ja yhdessä lentokoneen siivessä voi olla yli 10 000 sensoria. Arvioiden mukaan esineiden internet käyttääkin vuonna 2020 jo yli 50 miljardia sensoria.

Jotta laitteisiin saadaan tarpeeksi laskentatehoa, nykyiset tietokoneiden piirilevyissä käytettävät transistorit pitäisi pystyä kutistamaan muutaman nanometrin kokoisiksi. Tällöin ne eivät kuitenkaan enää toimi kunnolla. Toinen haaste on, että ennenäkemättömän datamäärän käsittely ja tallennus vaativat valtavasti energiaa.

Aalto-yliopiston akatemiatutkija Sayani Majumdarin vetämä tutkijaryhmä kehittää teknologiaa, joka ratkaisee molemmat ongelmat. Käytännössä ryhmä kehittää peruspalikoita neuromorfisten eli aivojen toimintaa jäljittelevien tietokoneiden komponentteihin.

Maailman suurimmat IT-yritykset ja EU investoivat neuromorfisten tietokoneiden tutkimukseen huomattavasti, mutta kukaan ei vielä ole pystynyt luomaan toimivaa nanokokoista laitteistoa, jota voisi myös valmistaa teollisesti.

“Neuromorfisten tietokoneiden vaatima teknologia kehittyy nyt nopeammin kuin niiden haastajat eli kvanttitietokoneet. Yliopistot ja yritykset etsivät kuumeisesti tapoja tehdä vaativaa laskentaa suoraan älypuhelinten, tablettien ja tietokoneiden laitteistolla ilman ohjelmistoja. Jotta se onnistuisi, tarvitaan äärimmäisen energiatehokkaita, aivojen neuroverkkojen sähköistä tietojenkäsittelyä imitoivia komponentteja”, Majumdar kertoo tiedotteessa.

Vähemmän raskasmetallisaastetta

Majumdarin ryhmä on onnistunut valmistamaan uudenlaisia ferrosähköisiä tunneliliitoksia eli muutaman nanometrin paksuisia, kahden elektrodin välissä olevia ohutkalvoja. Liitokset toimivat vain muutamien volttien jännitteellä, ja niitä voi yhdistää monenlaisiin elektrodimateriaaleihin, kuten tietokoneissa käytettäviin piisiruihin.

Liitoksiin voi myös tallentaa informaatiota yli kymmeneksi vuodeksi ilman lisävirtaa. Niitä voi valmistaa nopeasti suuria määriä normaalissa huoneenlämpötilassa, ilman tyhjiötä tai puhdastiloja.

”Meidän liitoksemme on tehty orgaanisista hiilivedyistä, joten ne vähentäisivät myös elektroniikkajätteen raskasmetallisaasteen määrää”, Majumdar huomauttaa.

Ferrosähköiset ohutkalvokomponentit ovat ihanteellisia neuromorfisiin tietokoneisiin, koska ne vaihtavat tilaa ei vain binaarisesti nollan ja ykkösen, vaan myös monien muiden tilojen välillä. Siksi ne voivat muistaa niihin syötettyä informaatiota samaan tapaan kuin aivot. Lisäksi komponentit tarvitsevat vain minimaalisen määrän energiaa säilyttääkseen kerran saamansa informaation.

”Yritämme seuraavaksi yhdistää miljoonia tunneliliitoksiamme käyttäviä memristoreita neliösenttimetrin kokoiseksi verkostoksi. Ne voisivat suorittaa kompleksisia tehtäviä, kuten kuvan- ja hahmontunnistusta ja tehdä analysoimansa datan pohjalta itse päätöksiä”, Majumdar kertoo.