工程师开发在水上运行的计算机

日期:2018-05-16 浏览:5

em斯坦福大学的研究人员已开发出一种同步计算机,该计算机使用移动水滴的独特物理学进行操作。他们的目标是设计一种能够精确控制和操纵物理问题的新型计算机。 / em

计算机和水通常不会混合,但在Manu Prakash的实验室中,两者是一样的。斯坦福大学生物工程助理教授普拉卡什和他的学生们已经建造了一台同步计算机,它运用独特的水滴运动物理学。

这台计算机已经有近十年的历史了,它是在Prakash攻读研究生时创建的。这项工作将他在操纵液滴流体动力学方面的专长与计算机科学的基本元素 - 操作时钟相结合。

“在这项工作中,我们终于展示了一种同步的,通用的液滴逻辑和控制,”Prakash说。

由于其普遍性,液滴计算机理论上可以执行传统电子计算机可以收缩的任何操作,尽管速度显着较慢。然而,普拉卡什和他的同事心中有一个更加雄心勃勃的应用。

“我们已经有数字电脑来处理信息。我们的目标不是与电子计算机竞争,或者在这方面操作文字处理器,“Prakash说。 “我们的目标是建立一个能够精确控制和操纵物理物质的全新计算机。想象一下,如果当你运行一组计算时,不仅信息被处理,而且物理问题也在算法上被操纵。我们刚刚在中尺度上做到了这一点。“

利用流体计算精确控制液滴的能力可能在高通量生物学和化学中具有许多应用,并且可能在可扩展的数字化制造中具有新的应用。

结果发表在最新版的Nature Physics上。

关键的时钟

在他读研究生的近十年时间里,一个想法一直在Prakash唠叨:如果他可以使用小液滴作为信息,并利用这些液滴的精确移动来同时处理信息和物理材料,那该怎么办?最终,普拉卡什决定建立一个旋转的磁场,它可以作为时钟来同步所有的液滴。这个想法很有希望,并且在项目的早期阶段,Prakash招募了一名研究生Georgios“Yorgos”Katsikis,他是该论文的第一作者。

电脑时钟几乎负责所有现代便利。智能手机,DVR,飞机,互联网 - 没有时钟,这些都不会经常出现严重并发症。几乎每个计算机程序都需要几个同时进行的操作,每个操作都以完美的步骤进行。时钟确保这些操作同时启动和停止,从而确保信息同步。

如果时钟不存在,结果是可怕的。这就像士兵们步入阵形:如果一个人急剧跌倒,那么在整个团队分崩离析之前不久。 Prakash解释说,如果多个同时运行的计算机没有时钟来同步它们,情况也是如此。

“计算机如此精确地工作的原因是每个操作都是同步进行的,这首先使数字逻辑如此强大,“Prakash说。

一个磁钟

开发基于流体计算机的时钟需要一些创造性思维。它需要易于操作,并且一次能够影响多个液滴。该系统需要具有可扩展性,以便在未来,大量的水滴可以相互通信而不会跳动。普拉卡什意识到旋转的磁场可能会诀窍。

Katsikis和Prakash在载玻片上制作了一些微小的铁条阵列,看起来像是一个吃豆人迷宫。他们在上面放置了一张空白的玻璃载玻片,并在两者之间夹了一层油。然后他们小心地注入混合物中的个别水滴,这些水滴已经被微小的磁性纳米颗粒灌输。

接下来,他们打开磁场。每当场发生翻转时,杆的极性反转,将磁化的液滴吸引到新的预定方向,如轨道上的插槽车。场的每一次旋转计为一个时钟周期,就像秒针在钟面上制作一个完整的圆圈一样,并且每个循环在每个循环中前进一步。

摄像机记录单个液滴之间的相互作用,从而可以实时观察计算结果。液滴的存在或不存在表示二进制码的1和0,并且时钟确保所有液滴完美同步地移动,并且因此系统可以永久运行而没有任何错误。

“遵循这些规则,我们已经证明,只需改变芯片上的条形布局,我们就可以制造电子设备中使用的所有通用逻辑门,”Katsikis说。 “我们平台的实际设计空间非常丰富。给我们任何布尔逻辑电路在世界上,我们可以建立它与这些小磁滴运动。“

目前的论文描述了系统的基本运行机制,并展示了同步逻辑门,反馈和可级联性的构建块 - 可扩展计算的特征。包含1位存储器(称为“触发器”)的简单状态机也使用上述基本构建块进行演示。

一种操纵物质的新方法

目前的筹码大约是邮票大小的一半,而水滴比罂粟种子小,但Katsikis说,系统的物理结构表明它可以变得更小。结合磁场可以同时控制数百万个液滴的事实,这使得系统具有极大的可扩展性。

研究生和合作者Jim Cybulski表示:“我们可以继续把它做得越来越小,这样它就可以每次做更多的操作,这样它就可以用更小的液滴尺寸工作,并在芯片上做更多的操作。 “这非常适合各种应用。”

普拉卡什说,最直接的应用可能涉及将计算机变成一个高通量的化学和生物实验室。每个液滴可以携带一些化学物质并成为自己的试管,而不是在散装试管中进行反应,液滴计算机对这些相互作用提供前所未有的控制。

普拉卡什说,从基础科学的角度来看,工作是如此令人兴奋的部分原因是它为物理世界中的计算开辟了一条新的思路。虽然计算物理学先前已被应用于理解计算的极限,但信息位的物理方面从来没有被用作处理中尺度(10微米到1毫米)物质的新方法。

由于该系统非常强大,并且团队已经发现了通用设计规则,Prakash计划为这些液滴电路设计工具供公众使用。现在,任何一群人都可以拼凑出基本的逻辑块,并制作他们所需的任何复杂的液滴电路。

“我们非常希望吸引任何人和所有想参与的人,让每个人都能够根据我们在本文中描述的构建模块设计新的电路,或发现新的模块。现在,任何人都可以将这些电路组合在一起,形成一个无外部控制的复杂液滴处理器 - 这在以前是一个非常困难的挑战,“Prakash说。

“如果你回顾社会的巨大进步,计算就会占据一个特殊的位置。由于我们在数字世界中看到的计算进入了物理世界,我们正试图将相同类型的指数级放大。“

出版物:Georgios Katsikis等,“Synchronous universal droplet logic and control”,Nature Physics,2015; DOI:10.1038 / nphys3341

来源:斯坦福大学Bjorn Carey

图片:Kurt Hickman