מחשב הפועל בעזרת טיפות מים

פותח מחשב המסוגל לפעול על בסיס חוקי הפיזיקה הייחודיים לטיפות מים נעות. המטרה של החוקרים היא לפתח משפחה חדשה של מחשבים שיוכלו לשלוט ולנהל בדייקנות חומר פיזי.

מחשבים ומים אינם דרים בכפיפה אחת, בדרך כלל, אולם במעבדתו של החוקרManu Prakash הם חיים בצוותא. פראקאש, פרופסור לביו-הנדסה באוניברסיטת סטנפורד, וצוות המחקר שלו, הצליחו לבנות מחשב סינכרוני הפועל בעזרת חוקי הפיזיקה הייחודיים לטיפות מים נעות. על פיתוח המחשב הזה החוקר עובד כבר עשור, החל מהרעיון שצץ במוחו עוד כשהוא היה סטודנט לתואר ראשון. המחקר משלב את המומחיות שלו בתחום של דינמיקת נוזלים יחד עם הרכיב היסודי של מחשב – שעון מסנכרן. "במסגרת מחקר זה הדגמנו, סוף כל סוף, שער לוגי ושליטה סינכרונית," אמר החוקר הראשי.

בזכות טיבו האוניברסאלי, מחשב הטיפות יוכל, באופן תיאורטי, לבצע כל פעולה שמסוגל כיום לבצע מחשב אלקטרוני רגיל, הגם שבקצב הרבה יותר נמוך. "כבר כיום יש לנו מחשבים דיגיטליים המסוגלים לעבד מידע. המטרה שלנו אינה להתחרות במחשבים אלקטרוניים או להפעיל באמצעותו מעבד תמלילים," אומר החוקר הראשי. "היעד שלנו הוא לפתח משפחה חדשה לחלוטין של מחשבים המסוגלים לשלוט באופן מדויק בחומר מוחשי. דמיין לעצמך שתוכל להריץ אוסף חישובים שלא רק יעבדו מידע אלא גם ישפיעו באופן אלגוריתמי על חומר פיזי. עכשיו הפכנו את זה לאפשרי ברמה המזומטרית (קנה מידה בינוני)." היכולת לשלוט בדייקנות בטיפות בעזרת מחשוב נוזלים תוכל להצמיח מספר יישומים מתקדמים בתחומי הביולוגיה והכימיה, ואולי גם יישומים דיגיטליים חדשים. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי Nature Physics.

במשך שנים התעניין החוקר מה היה קורה אם הוא יצליח להשתמש בטיפות זערוריות בתור ביטים של מידע (כמו אפס ואחת בשפה בינארית) ולנצל את התנועה המדויקת של טיפות אלו הן בשביל לעבד מידע והן לשם ניהול פיזי של חומר בו זמנית. בסופו של דבר, החוקר החליט לבנות שדה מגנטי מסתובב שיוכל לשמש בתור שעון המסנכרן את כל הטיפות במערכת. שעוני מחשב נמצאים כמעט בכל מוצר נוחות יומיומי – סמארטפונים, מקליטי וידאו דיגיטליים, מטוסים, האינטרנט עצמו – ללא שעון, אף אחד ממוצרים אלו לא יכול היה לפעול ללא סיבוכים רציניים ותכופים. כמעט כל תוכנת מחשב נדרשת למספר פעולות בו-זמנית, כאשר כל אחת מהן מתבצעת באופן מושלם אחת אחרי השנייה. שעון מבטיח כי פעולות אלו מתחילות ומסתיימות בזמן הראוי, מה שמאפשר סנכרון של המידע. אם השעון אינו נוכח התוצאות משתבשות – בדומה לחיילים הצועדים במבנה: אם חייל אחד משבש את התנועות המסונכרנות באופן משמעותי, במהרה מבנה הקבוצה כולו יקרוס. הדבר נכון גם במקרה של
פעולות מחשב בו-זמניות המתרחשות ללא שעון המסנכרן אותן, מסביר החוקר.

הפיתוח של שעון עבור מחשב מבוסס-נוזלים דרש מהחוקרים מעט יצירתיות. הוא צריך להיות פשוט לתמרון וכזה היכול להשפיע על מספר טיפות בו זמנית. בנוסף, המערכת צריכה להיות כזו הניתנת להרחבה בעתיד, כך שמספר רב של טיפות תוכלנה לתקשר אחת עם השנייה מבלי לפספס אף אחת מהן. החוקר הראשי סבר כי שדה מגנטי עשוי להיות הפתרון.

החוקרים בנו מערכים של מחטי ברזל זערוריים על גבי משטחי זכוכית, מערך הנראה כמו המבוך של משחק הילדים פאקמן. הם מיקמו משטח זכוכית אטום על גבי המשטח התחתון והחדירו ביניהן שכבת שמן. בשלב הבא הם הזריקו לתוך התערובת טיפות מים פרטניות שלתוכן הוחדרו ננו-חלקיקים מגנטיים זעירים. לאחר מכן, הם הפעילו שדה מגנטי על כל המערך הזה. בכל רגע שכיוון השדה התהפך, הקוטביות של המחטים התהפכה גם היא, תוצאה הגורמת לטיפות הממוגנטות להתארגן לכיוון חדש שנקבע מראש. כל היפוך של השדה נספר בתור השלמת מעגל שעוני אחד.

מצלמה מתעדת את יחסי הגומלין שבין הטיפות הפרטניות, דבר שמאפשר לצפות בחישוב ברגע התרחשותו בזמן אמת. הנוכחות או ההיעדרות של טיפה מייצגות את הסימנים אפס או אחת בשפה הבינארית, והשעון מבטיח כי כל הטיפות ינועו בסנכרון מושלם ולכן המערכת תוכל לפעול, באופן תיאורטי, לעד וללא כל שגיאות.

"לאור כללים אלו, הצלחנו להדגים כי אנו יכולים ליצור את כל השערים הלוגיים האוניברסאליים המשמשים בעולם האלקטרוניקה, פשוט בעזרת שינוי הסידור של המחטים שבשבב," מסביר החוקר הראשי. במסגרת המאמר החוקרים מדגימים מגוון סוגים שונים של שערים לוגיים. גודלם של השבבים הנוכחיים הוא כמחצית הגודל של בול דואר, כאשר גודלן של הטיפות קטן משל זרעי פרג, והחוקר הראשי אפילו טוען כי חוקי הפיזיקה השולטים במערכת החדשה מרמזים כי ניתן להקטין אותה עוד יותר. יחד עם העובדה כי השדה המגנטי מסוגל לשלוט במיליוני טיפות בו זמנית, המערכת אמורה להיות מתאימה לכל גודל.

החוקר הראשי מציין כי היישום המידי ביותר יוכל להיות קשור להפיכת המחשב למעבדת כימיה או ביולוגיה מתקדמת ביותר. במקום להריץ תגובות בכלי מעבדה גדולים, כל טיפה תוכל לשאת בתוכה מספר מגיבים ולהפוך בעצמה לכלי מעבדה, והמחשב עצמו מציע בקרה יוצאת דופן על תגובות אלו.