Enorme parallelle computer van één molecuullaagje dik

Share Button

Stel je voor: een complete computer, vele malen sneller dan de huidige vorm maar dan zo dun dat hij onzichtbaar is. Een klein prototype is nu gebouwd.

Parallelle computers redden de wet van Moore
Moderne computerchips werken meer dan honderd miljard maal sneller dan ons brein. Toch klopt ons brein computers bij verschillende taken (het vergt een monsterlijk grote supercomputer om een schaakkampioen te verslaan en bij het Japanse bordspel Go lukt het al helemaal niet om een shodan of hoger te verslaan, bijvoorbeeld). De belangrijkste reden: parallelle verwerking. Alle berekeningen in een computer moeten via één of enkele processoren. In ons brein is ieder neuron (waar er rond de honderd miljard van zijn) een zelfstandige processor. Neuronen zijn met tot duizend andere neuronen verbonden. Geen wonder dat door parallelle verwerking ons brein toch een kans maakt.

Computerwetenschappers kennen de kracht van parallelle processoren en proberen ze al meerdere jaren toe te passen. Daarvoor moeten we echter een heel andere computerarchitectuur gebruiken dan we nu doen. Een taaie klus.

Anirban Bandyopadhyay van het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan, heeft nu een revolutionair nieuwe methode uitgedokterd. Het hart van hun experiment vormt een ringvormig molecuul met de welluidende naam 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinon, afgekort DDQ, zie boven. Een enkel molecuul zal naar schatting minder dan een nanometer groot zijn. Op een vierkante millimeter (de kop van een lucifer) passen daarmee een biljoen van deze moleculaire schakelaars.

Moleculaire schakelaar met vier standen
DDQ heeft een opvallende eigenschap: het molecuul kan op vier verschillende manieren stroom geleiden, afhankelijk van de positie van in het molecuul gevangen elektronen rond de ring. Nog interessanter: het is mogelijk om het molecuul van de ene toestand in de andere te schakelen door spanningen van een verschillende sterkte toe te passen via de (uit enkele atomen bestaande) punt van een scanning tunneling elektronenmicroscoop. Ook kunnen met een elektrisch veld de eigenschappen van het molecuul nog verder worden aangepast.

Twee tot zes ‘buren’
Afhankelijk van in welke staat het molecuul zich bevindt en dat van de buren, kan het molecuul contact maken met tussen de twee en zes buren. Als een molecuul verspringt van de ene staat naar de andere, plant de verandering zich voort van het ene molecuul naar het andere, waarbij zich voortdurend nieuwe circuits vormen.

Wat is een cellulaire automaat?
Een cellulaire automaat is een verzameling vakjes die worden gemanipuleerd met eenvoudige beslisregels. Een klassieker is Conways Game of Life. Dit ‘spel’ bestaat uit een matrix van vakjes. Een cel kan ‘levend’ of ‘dood’ zijn. Zo sterft een cel als hij minder dan twee of meer dan drie buren heeft en wordt een dode cel levend als deze precies drie buren heeft. Al de meest vernuftige constructies zijn bedacht, zoals ‘gliders’, ‘glider guns’ die continu gliders afschieten en, je raadt het al, ‘breeders’ die al voortschuifelend glider guns achterlaten. Leef je hier uit.

Deze 'glider gun' produceert voortdurend zich eindeloos voortbewegende groepjes

Deze 'glider gun' produceert voortdurend zich eindeloos voortbewegende groepjes

DDQ moleculen zijn uitstekend geschikt om een cellulaire automaat van te bouwen, met elke cel zo groot als een  molecuul. Dat hebben de onderzoekers dan ook gedaan. De ‘regels’ per groepje moleculen konden ze instellen door met elektrische velden te rommelen en de beginstaat programmeerden ze in met de naald van de elektronenmicroscoop.

Computer veel kleiner dan een virus
Ze manoeuvreerden driehonderd DDQ moleculen op een goudlaagje  op zo’n manier dat ze als cellulaire automaat kunnen worden gebruikt. Zelfs al voor nuttige toepassingen (al is hier het aantal moleculen uiteraard veel te klein voor), zoals het berekenen van de manier waarop warmte zich verspreidt en hoe kankercellen zich door weefsel heen werken. Dat alles door één laagje moleculen – dat tegelijkertijd rekent.

De moleculaire computer heeft zijn unieke eigenschappen omdat elk molecuul vele andere buren heeft. “Dit principe generaliseren brengt een compleet nieuwe generatie van computers binnen bereik met een reeks moleculen.” Daar zouden Bandyopadhyay en de zijnen wel eens gelijk in kunnen hebben. Lukt het dit op te schalen en een systeem te bedenken om elk molecuul te programmeren, of een handzamer systeem te vinden, dan zou een onzichtbaar vlekje moleculen weleens meer rekenkracht kunnen hebben dan een complete moderne desktop computer van tegenwoordig. En dat met honderdduizenden malen minder energieverbruik. Erg goed nieuws, want computers en internet kosten op dit moment al twee procent van alle wereldenergieverbruik.

Bron:
Bandyopadhyay et al., Massively Parallel Computing An An Organic Molecular Layer, ArXiv (2011)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

10 reacties

  1. Frank schreef:

    Ik heb ooit een boek gelezen, een science fiction roman in het sub-genre Cyperpunk-sf, waarin iets dergelijks ook voorkwam.
    De hoofdpersoon was bevriend met een intelligente supercomputer in de vorm van een boek.
    Alle schakelingen zaten verwerkt in de honderden paginas van het boek, iedere schakeling was dus flinterdun.
    William Gibson? Ik weet het niet meer.

  2. Frank schreef:

    Ja Hannes, dat is het. Bedankt.

  3. hannes schreef:

    Graag gedaan! Maar ik heb ook een zelfde probleem als jij.. Ik heb ooit een kort sf-verhaal gelezen (in het Nederlands vertaald en uitgegeven) dat ging over een soort ‘tijddal’: een wereld/universum bestaande uit een bergachtig grensgebied met een langzame tijdstroom. Hier woedt een constante oorlog met een onbekend vijand die nog hogerop leeft. Een frontsoldaat krijgt verlof en reist terug naar het laagste punt van het dal. Naarmate hij verder afdaalt komt hij door tijdzones waarin de tijd steeds sneller stroomt in vergelijking met het front hogerop. Tenslotte is hij in het dal aanbeland met een constante tijdstroom. Jaren gaan voorbij, hij trouwt, sticht een gezin en begint zelfs een eigen zaak. Uiteindelijk krijgt hij bericht dat hij zich weer moet melden bij het front. Hij reist weer bergopwaarts waarbij voor hem de tijd weer steeds langzamer gaat lopen. Uiteindelijk is hij weer bij het oorlogsfront: hier blijkt slechts een paar uur te zijn verlopen. Ik weet echt niet meer wie dit geschreven heeft of hoe de titel luidt en in welk boek met sf-verhalen dit staat. Kan iemand mij helpen? Is wel een beetje offtopic hier!

  4. Frank schreef:

    @Hannes en Germen, waren dat niet de Ganymedes-boeken? Science fiction verhalen door Nederlandse en Vlaamse auteurs, gebundeld tot boeken. Ik heb er heel wat verslonden in mijn tienerjaren.

  5. Frank schreef:

    Een beetje elfen en trollen en magiers op zijn tijd vind ik best te pruimen maar waar mijn hart toch echt ligt is het filosoferen en dromen over de wereld van morgen.

    • hannes schreef:

      Ja inderdaad. Als kind vond ik sprookjes ook leuk, Andersen, Grimm, alles heb ik gelezen. Maar op den duur begon het toch te vervelen. Als tiener begon ik aan Tolkien en C.S.Lewis. Dat gaf al wat meer intellectuele uitdaging maar toch zocht ik naar iets met meer houvast in de ‘echte ‘ wereld. Toen leende ik ‘per ongeluk’ een SF boek in de bieb en gelijk was ik verkocht. Sindsdien bijna alleen nog maar dit gelezen als ontspanningslectuur.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger