Quando la scienza imita la natura. Materiali ispirati al cervello per rivoluzionare i computer

I ricercatori di Texas A&M, Sandia Lab e Stanford hanno sviluppato una nuova tecnologia ispirata al cervello umano che permette di trasmettere segnali elettrici senza perdite e senza ripetitori, migliorando le prestazioni dei microchip e riducendo il consumo energetico

Quando si tratta di migliorare le prestazioni dei computer e la loro capacità di elaborazione, quale migliore fonte di ispirazione ci può essere del cervello umano? È quello che avranno pensato i ricercatori della Texas A&M University, del Sandia National Lab – Livermore e della Stanford University quando hanno provato a risolvere uno dei più antichi problemi che affligge il funzionamento di qualunque dispositivo elettrico ed elettronico: come riuscire a trasmettere i segnali senza perdite e degradazione?

Il problema è vecchio quanto la scoperta stessa dell’elettricità e riguarda il modo in cui gli elettroni viaggiano in un circuito, una cosa da cui dipendono molte delle caratteristiche che avrà il dispositivo, ciò che riuscirà a fare e come lo farà. Infatti, qualsiasi segnale elettrico che si propaga in un conduttore metallico perde ampiezza, cioè si affievolisce, lungo il percorso a causa della resistenza naturale che incontra nel conduttore, per cui si dice che vi sono delle ‘perdite’. Per compensare queste perdite è necessario inserire lungo il percorso della corrente degli speciali dispositivi che la amplificano ‘rigenerando’, così, il segnale. Questi dispositivi però, a loro volta, consumano, riscaldano e impongono limitazioni al design dei circuiti con il risultato di limitarne le prestazioni. Una cosa particolarmente avvertita soprattutto nei moderni microchip, sempre più densi di interconnessioni e linee di trasmissione. 

Basti pensare che le unità centrali di elaborazione (CPU) e i chip grafici (GPU) dei moderni computer possono contenere fino a 48 chilometri di sottilissimi conduttori di rame per trasportare i segnali elettrici al loro interno. Ed è qui che entra in gioco Madre Natura con il suo esempio, grazie al quale i ricercatori hanno trovato un modo di superare questo antico problema.

Come ci siano riusciti lo hanno spiegato in un articolo pubblicato l’11 settembre su Nature, in cui espongono i risultati della loro ricerca che è stata sostenuta dal DOE, il Dipartimento dell’Energia americano attraverso il REMIND (Reconfigurable Electronic Materials Inspired by Nonlinear Neuron Dynamics). REMIND è un dipartimento del centro di ricerca di frontiera sull’energia del DOE, ma anche un gioco di parole con il termine inglese mind, cioè mente, che cerca di scoprire e sfruttare nuovi materiali, meccanismi e interfacce per emulare specifiche funzioni neuronali e sinaptiche del cervello umano. Esattamente quello che hanno fatto gli autori della ricerca ispirandosi agli assoni, cioè quella parte del neurone che nei vertebrati conduce gli impulsi elettrici lontano dal corpo centrale della cellula nervosa. 

Per fare un’analogia con i computer, potremmo dire che mentre i neuroni sono responsabili dell’elaborazione dei segnali come fanno le CPU, gli assoni sono l’equivalente delle linee di trasmissione che trasportano i segnali da un neurone a quello vicino.

A partire da questa analogia, Timothy D. Brown dei Sandia National Laboratories, Livermore, California e primo autore dell’articolo, spiega come è nata l’idea della ricerca: “Immaginiamo di voler trasmettere un impulso elettrico dal bordo di una CPU a un transistor vicino al suo centro. Anche nei migliori metalli conduttivi la resistenza a temperatura ambiente fa dissipare continuamente i segnali e quindi, per rigenerarli, dobbiamo tagliare la linea di trasmissione e amplificarli e questo costa energia, tempo e spazio. La biologia fa le cose in modo diverso perché sappiamo che alcuni segnali nel cervello vengono trasmessi anche su lunghe distanze attraverso assoni fatti di materia organica che offre molta più resistenza, ma senza bisogno di interrompere il circuito e potenziare i segnali”.

Quello che hanno fatto i ricercatori è stato riuscire a realizzare, per la prima volta, una modalità di trasporto elettrico simile a quella che sta alla base della trasmissione negli assoni. È una modalità, teorizzata alla fine degli anni ’80 ma mai sperimentalmente provata finora, che si manifesta con un regime elettrico semi-stabile chiamato EOC (Edge of Chaos, cioè al limite del caos) grazie al quale nei sistemi biologici si realizza un’auto-amplificazione del segnale che permette la sua trasmissione senza perdite attraverso gli assoni. Per giungere a questo risultato i ricercatori hanno usato un materiale particolare, il LaCoO3 (Lantanio-CobaltoOssido) nel quale hanno ottenuto lo stato EOC caratterizzato da una resistenza negativa. Grazie a questo, in un conduttore metallico sovrapposto al materiale in stato EOC, un segnale in ingresso a un’estremità esce amplificato dall’altra, senza bisogno di passare attraverso un componente di amplificazione separato, come invece accade normalmente. A permettere di ottenere questo risultato sono le speciali caratteristiche del materiale in stato EOC nel quale l’energia, anziché dissiparsi come calore, viene in parte utilizzata per amplificare i segnali nella linea metallica, consentendo così la trasmissione attiva, cioè amplificata. La soluzione sviluppata è in grado, potenzialmente, di evitare l’inserimento nei circuiti di migliaia di ripetitori, alleviando notevolmente quei problemi di interconnessione che al momento costituiscono uno dei principali colli di bottiglia degli attuali microchip.

Inutile sottolineare che questa proprietà potrebbe avere applicazioni oggi ancora tutte da immaginare ma che, alla fine, potranno trasformare completamente il design elettronico dei computer e con esso le prestazioni di microchip sempre più complessi.

Tanto per cominciare, già oggi, questi risultati lasciano intravedere la possibilità di intervenire su un aspetto assolutamente cruciale per il futuro dei computer e cioè il continuo aumento del fabbisogno energetico per il loro funzionamento e per quello dei Data Center. 

Già solo per questi ultimi, ad esempio, le previsioni di crescita indicano che entro il 2030 utilizzeranno l’8% di tutta l’energia usata ogni anno negli Stati Uniti per non parlare, poi, della diffusione dell’Intelligenza Artificiale che potrebbe portare a un aumento drammatico della richiesta energetica. È chiaro, allora, che sul lungo termine fare passi avanti nella comprensione dei fenomeni che caratterizzano nuovi materiali ispirati alla biologia e in grado di aumentare l’efficienza dei computer, può rivelarsi una scelta strategica vincente. E questo spiega perché, nel 2022, il Dipartimento dell’Energia americano abbia deciso di creare REMIND, il programma per sviluppare nuove architetture informatiche attraverso l’emulazione di specifiche funzioni del cervello umano. I risultati concreti ottenuti oggi con la ricerca sugli assoni giungono dopo ben 12 anni dalla prima intuizione teorica del fenomeno e non sarebbero stati possibili senza il supporto offerto da REMIND in termini di risorse finanziarie, esperienza e lavoro di squadra. Ma soprattutto dimostrano che per la scienza la natura può essere un’insostituibile fonte d’ispirazione.

Credits copertina: Envato @ktsimage

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