Il computer ad acqua

I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un computer sincrono che opera utilizzando la fisica unica di goccioline d'acqua in movimento. Il loro obiettivo è quello di progettare una nuova classe di computer in grado di controllare con precisione e manipolare la materia fisica.

Computer e acqua in genere non si mescolano, ma nel laboratorio di Manu Prakash, i due sono la stessa cosa. Prakash, assistente professore di bioingegneria alla Stanford, e i suoi studenti hanno costruito un computer sincrono che funziona, utilizzando la fisica unica di goccioline d'acqua in movimento.

Il computer è il risultato di quasi un decennio in divenire, incubato da un'idea che ha colpito Prakash quando era uno studente laureato. Il lavoro unisce la sua esperienza nel manipolare la fluidodinamica delle gocce con un elemento fondamentale di informatica - il funzionamento dell'orologio.

"In questo lavoro, -ha detto Prakash - ,abbiamo finalmente dimostrato una logica della goccia d’acqua, universale, sincrona e controllabile".

A causa della sua natura universale, il computer gocciolina può teoricamente eseguire qualsiasi operazione che un calcolatore elettronico convenzionale può macinare, anche se a tassi significativamente più lenti. Prakash ed i suoi colleghi, tuttavia, hanno in mente una più ambiziosa applicazione.

"Abbiamo già computer digitali per elaborare le informazioni. Il nostro obiettivo , -ha detto Prakash - non è quello di competere con i calcolatori elettronici o per operare word processor su questo . Il nostro obiettivo è quello di costruire una nuova classe di computer in grado di controllare con precisione e manipolare la materia fisica. Immaginate se quando si esegue una serie di calcoli che non solo le informazioni sono processati, ma la materia fisica è pure algoritmicamente manipolata. Abbiamo appena reso possibile questo possibile operando alle dimensioni della mesoscala. "

La possibilità di controllare con precisione le goccioline che utilizzano il calcolo fluido potrebbe avere un certo numero di applicazioni in biologia e chimica, e, eventualmente, nuove applicazioni per una produzione digitale scalabile.

L'orologio è cruciale

Per quasi un decennio dai tempi dell'università, un idea tormentava Prakash: se si potevano usare goccioline come bit di informazioni e altresì utilizzare il movimento preciso di quelle gocce per elaborare le informazioni e contemporaneamente materiali fisici. Prakash decise di costruire un campo magnetico rotante che agisce come un orologio per sincronizzare tutte le goccioline. L'idea ha dimostrato la promessa, e nelle prime fasi del progetto, Prakash ha reclutato uno studente laureato, Georgios "Yorgos" Katsikis, che è il primo autore sulla carta.

Gli orologi dei computer sono responsabili di quasi tutti i comfort moderni. Smartphone, DVR, aerei, Internet - senza orologi, nessuno di questi poteva essere operativo senza complicazioni frequenti e gravi. Quasi ogni programma per computer richiede diverse operazioni simultanee, ciascuna condotta in modo perfetto ,passo dopo passo. Un orologio fa in modo che queste operazioni di inizio e fine allo stesso tempo, in modo da garantire che vengano sincronizzate le informazioni.

I risultati sono disastrosi se non è presente un orologio. E 'come  avere soldati in marcia in formazione: se una persona cade drammaticamente fuori dal tempo, non passerà molto tempo prima che tutto il gruppo vada in pezzi. Lo stesso vale- ha spiegato Prakash - se più operazioni simultanee di  un computer, funzionano, senza che vi sia un orologio per sincronizzarli.

"La ragione per cui i computer funzionano in modo così preciso,- ha detto Prakash - è che ogni operazione avviene in modo sincrono, ciò ha reso, in primo luogo, la logica digitale così potente ".

Un orologio magnetico

Lo sviluppo di un orologio per un computer basato su fluido ha richiesto un po 'di pensiero creativo. Doveva essere facile da manipolare, ed anche in grado di influenzare più gocce alla volta. Il sistema doveva essere scalabile in modo che in futuro, un gran numero di goccioline possano comunicare tra di loro senza perdere un colpo. Prakash si rese conto che un campo magnetico rotante poteva essere efficace a tale riguardo.

Katsikis e Prakash hanno costruito array di sbarre di ferro minuscoli su vetrini che sembrano qualcosa di simile a un labirinto di Pac-Man. Hanno preparato un vetrino vuoto sulla parte superiore a sandwich con uno strato di olio in mezzo. Poi hanno iniettato accuratamente nel mix singole gocce d'acqua che erano state infuse con piccole nanoparticelle magnetiche.

Successivamente, hanno acceso il campo magnetico. Ogni volta che il campo ribalta, la polarità delle barre inverte, disegnando le goccioline magnetizzati in una nuova direzione predeterminata, come automobili su una pista scanalata. Ogni rotazione del campo conta come un ciclo di clock, come una seconda mano che un giro completo sul quadrante dell'orologio, e ogni goccia marcia esattamente un passo avanti con ogni ciclo.

Una telecamera registra le interazioni tra singole gocce, permettendo l'osservazione della computazione come avviene in tempo reale. La presenza o l'assenza di una gocciolina rappresenta le 1 e 0 di codice binario, e l'orologio assicura che tutte le gocce si muovono in perfetta sincronia, e quindi il sistema può essere eseguito praticamente sempre senza errori.

"A seguito di queste regole, abbiamo dimostrato ,- ha detto Katsikis – di essere in grado di fare tutte le porte logiche universali utilizzati in elettronica, semplicemente cambiando il layout delle barre sul chip. Lo spazio di design attuale nella nostra piattaforma è incredibilmente ricco. Dateci qualsiasi circuito a logica booleana nel mondo, e siamo in grado di costruirlo con queste piccole goccioline magnetiche in grado di muoversi ".

Il documento attuale descrive il regime di funzionamento fondamentale del sistema e dimostra blocchi di porte logiche sincroni, feedback e cascadability - caratteristiche di calcolo scalabile. Una macchina semplice-stato compreso lo stoccaggio di memoria da 1-bit (noto come "flip-flop") è anche dimostrata sulla base degli elementi di base, di cui sopra.

Un nuovo modo di manipolare la materia

I chip attuali sono circa la metà di un francobollo, e le goccioline sono più piccoli dei semi di papavero, ma Katsikis ha aggiunto che la fisica del sistema suggerisce che può essere reso ancora più piccolo. Combinato con il fatto che il campo magnetico può controllare milioni di goccioline simultaneamente, questo rende il sistema estremamente scalabile.

"Possiamo continuare a farlo più piccolo di modo che possa fare più operazioni per tempo, -ha detto lo studente laureato e co-autore Jim Cybulski -, in modo che possa funzionare con dimensioni delle goccioline più piccole e fare un  numero in più di operazioni in un solo chip. Tra l’altro si presta molto bene ad una varietà di applicazioni."

Prakash ha detto che l'applicazione più immediata potrebbe coinvolgere trasformando il computer in un laboratorio di chimica e biologia high-throughput. Invece di effettuare reazioni in provetta alla rinfusa, ogni goccia può portare alcuni prodotti chimici e diventare la proprio provetta, e il computer a gocce d’acqua offre un controllo, senza precedenti, su queste interazioni.

Dal punto di vista della scienza di base, una parte del motivo per cui il lavoro è così eccitante, -ha detto ancora Prakash -, è che si apre un nuovo modo di pensare della computazione nel mondo fisico. Anche se è stato applicato in precedenza la fisica computazionale per capire i limiti della computazione, gli aspetti fisici di bit di informazioni non sono mai stato sfruttati come un nuovo modo di manipolare la materia a livello di mesoscala ( da 10 micron a 1 millimetro).

Poiché il sistema è estremamente robusto e il team ha scoperto le regole di progettazione universale, Prakash ha intenzione di fare uno strumento di progettazione per questi circuiti gocciolina a disposizione del pubblico. Qualsiasi gruppo di persone può ora mettere insieme i blocchi logici di base e fare un qualsiasi circuito-gocciolina-complesso che desidera.

"Siamo molto interessati a coinvolgere chiunque e tutti coloro che vogliono giocare, per consentire a tutti di progettare nuovi circuiti in blocchi che descriviamo in questo articolo o scoprire nuovi blocchi da costruzione. In questo momento, chiunque può mettere questi circuiti insieme,-ha detto Prakash - per formare un processore gocciolina complesso senza controllo esterno - qualcosa che in precedenza era una sfida molto difficile ".

"Se si guarda indietro ai grandi progressi nella società, il calcolo prende un posto speciale. Stiamo cercando di portare lo stesso tipo di scala fino ad esponenziale, a causa della computazione che abbiamo visto nel mondo digitale, nel mondo fisico. "