Stanford und eine weitere Innovation

Der Mensch ist zu 80% flüssig. Frage: Wie viele Computer können aus einer Person hergestellt werden? Auf den ersten Blick ist die Antwort offensichtlich - überhaupt nicht. Sie haben jedoch noch nichts von einer weiteren Innovation von Wissenschaftlern der Stanford University gehört.



Stanfords Köpfe haben mehr als zehn Jahre damit verbracht, das erste funktionierende Computermodell zu entwickeln und zu entwickeln, das auf der physischen Bewegung von Wassertropfen basiert, die auf einen Chip fallen. Dies ist ein echter Durchbruch in der Physik des Rechnens, der auf der Grundbezeichnung eines Computers basiert: einem programmierbaren Gerät, das logische (mathematische) Operationen ausführen kann. Das Manu Prokash-Team kombinierte fortgeschrittene Theorien in der Hydrodynamik und veraltete Theorien in der Datenverarbeitung und schuf einen Computer, dessen Rechenfähigkeiten vollständig auf der Wasserphysik basieren.



Ein Computer, der auf der Physik bewegter Flüssigkeitströpfchen basiert, arbeitet um ein Vielfaches langsamer als ein Computer, der auf der Bewegung von Elektronen basiert. In diesem Fall spielt es zwar keine Rolle. Niemand hat erwartet, dass die neue flüssigkeitsbasierte CPU superschnell ist. Der leitende Forscher Manu Prakash und seine Doktoranden hoffen jedoch, dass die Verwendung von Rechenprinzipien bei der Manipulation von Flüssigkeiten zu einer rechnerischen Revolution in anderen Bereichen der Wissenschaft führen wird.

Das Hauptziel von Prakash (außerordentlicher Professor für Bioingenieurwesen) war zunächst die Schaffung einer Plattform für zuverlässige superschnelle chemische Analysen. Mit der Methode, die im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, können Sie möglicherweise Millionen von Flüssigkeitstropfen entlang des Kreislaufs der Mikroschaltung senden, wobei jeder der Tropfen unterschiedliche Chemikalien zum Testen enthalten kann. Ein gut gestalteter Chip reduziert die Monate chemischer Experimente in Reagenzgläsern auf eine Minute auf dem Chip. Sobald dieser Chip entworfen und hergestellt wurde, wurden Tröpfchenproben darauf geladen.



Das System basiert auf dem Prinzip der Spiegelreflexion des angelegten Magnetfeldes. Prakash nennt seine Erfindung "Magnetuhr". Dies ist ein Satz von vier Reifen, die ein Magnetfeld um den Chip selbst erzeugen. Auf dem Chip, der halb so groß wie eine Briefmarke ist, sind winzige Metallstangen eingebaut, die leicht magnetisiert werden können. Die Stangen bilden verworrene Pfade, die dem Pac-Man-Spielelabyrinth ähneln. Die Oberfläche ist mit einer dünnen Ölschicht bedeckt, die die freie Bewegung von Flüssigkeitströpfchen gewährleistet. Ein Glaschip mit einem vorgefertigten Labyrinth, der mit Öl bedeckt ist, wird mit einem zweiten Glas mit einer Dicke von 0,2 mm bedeckt.

Die Flüssigkeit enthält magnetische Nanopartikel, die für das angelegte Magnetfeld empfindlich sind. (Tropfen experimenteller Flüssigkeit können nur in einen zusammengebauten und gebrauchsfertigen Mikrokreislauf gegeben werden.) Erst wenn der Mikrokreislauf vollständig zusammengebaut und gebrauchsfertig ist, können Tropfen experimenteller Flüssigkeit in ihn gegeben werden. Mit einer solchen Sequenz können Sie ihre Größe von 10 μm bis 1 mm klar steuern.

Durch Ändern der Polarität der Kanäle kann das Wissenschaftlerteam auswählen, in welche Richtung das Labyrinth gehen soll. In der "magnetischen Uhr" wird die Spannung nacheinander den Reifen zugeführt, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird. Das Anlegen einer Spannung an einen der Reifen dauert einen Sekundenbruchteil und wird als Beat bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt machen die Tropfen genau einen Schritt. Über dem Gerät ist eine empfindliche Kamera installiert, die die experimentelle Substanz als Einheit und ihre Abwesenheit als Null wahrnimmt. Somit wurde die klassische binäre Befehlsstruktur implementiert.



Forscher behaupten, dass sie Millionen von Tropfen gleichzeitig mit einem groß angelegten Technologiemodell kontrollieren können. In einem klassischen Computer werden Bits durch einen Taktzyklus gesteuert, aber hier basieren sie auf der Strömungsphysik. Sogar tausend verschiedene Tropfen interagieren nach demselben Prinzip und arbeiten synchron, um Rechenziele zu erreichen.

Einige der frühesten elektronischen Computer (COMPUTER) wie UNIVAC I verfügten über einen quecksilberbasierten Speicher. Deshalb ist die Idee, Rechenleistung auf Basis flüssiger Materie darzustellen, nicht neu.



Neu ist die Verwendung der physikalischen Struktur des Chips, um der flüssigen Substanz eine gezielte und programmierte Bewegung zu verleihen. Das beste Szenario für die Entwicklung von Technologie ist ein Paradigmenwechsel in der Herangehensweise an die experimentelle Chemie, der zu einer Steigerung der Computerleistung führen wird.

Dies ist auch ein großer Schritt in Richtung der neuen Generation der Organ-on-a-Chip-Medizin. Diese Leistung ermöglicht es uns, die Wirkung von Arzneimitteln auf einzelne Organe im menschlichen Körper zu untersuchen. Dies ist die Fähigkeit, die Wirkung von Tausenden von Substanzen schnell und systematisch zu überprüfen. (Geben Sie an, welchen Einfluss sie haben?) Was führt auf lange Sicht zum nächsten Punkt, der als „Person auf einem Chip“ bezeichnet wird, wenn ein Computer einen lebenden Organismus ersetzen kann.



Ich denke, Sie haben bereits die Nachricht über den „grünen“ Mikrokreislauf erhalten, bei dem Silizium durch epoxidbeschichtetes Papier aus Cellulose-Nanofibrille (CNF) ersetzt wird. Die Kombination dieser Ideen bringt Wissenschaftler der Schaffung eines grünen Computers näher. Das Fehlen von Elektronen und das Vorhandensein von Öl, das durch 3M Novec ersetzt werden kann, senken die Kühlkosten erheblich und reduzieren sie auf nahezu Null.

Jetzt ist die Technologie "Drop on a Chip" in ihrer Leistung jedem CPU-Smartphone unterlegen. Erinnern wir uns an den Intel 4004, einen Chip, der für moderne Verhältnisse umständlich und furchtbar langsam war. Aber für das Jahr 1971 war es ein echter Durchbruch, der sich zu etwas Schönem entwickelte. "Drop on a Chip" ist also keine weitere Verbesserung. Dies ist eine neue Technologie, eine Ära, die nicht nur die Computerwelt, sondern auch alle angewandten Wissenschaften betreffen wird.

Source: https://habr.com/ru/post/de380639/