Живые чипы памяти: ученые создали рабочую электронику из грибов шиитаке

Современные компьютеры невероятно быстрые. Но у всего есть предел. В случае с компьютерами, предел заложен в самой их архитектуре, где процессор и память — это два разных, физически разделенных устройства. Данные постоянно курсируют между ними, что создает задержки и требует огромного количества энергии.

Инженеры и ученые давно ищут выход. Одно из направлений — нейроморфные вычисления, где архитектура электроники подражает структуре человеческого мозга. В мозге память и обработка информации не разделены так жестко. Эта идея привела к созданию мемристоров — компонентов, способных и хранить, и обрабатывать сигналы. Но здесь возникает новая проблема: для производства таких чипов часто нужны редкие и дорогие материалы, а сам процесс сложен и так же энергозатратен.

Что, если бы мы могли не производить, а выращивать вычислительные устройства? Недавно группа исследователей из Университета штата Огайо показала, что это возможно. И основой для такой биоэлектроники стал обычный гриб шиитаке.

Что такое мемристор и почему он важен?

Нужно разобраться с главным действующим лицом — мемристором. Что это такое?

Это электронный компонент с переменным сопротивлением. Его ключевое свойство — память: величина его сопротивления сегодня зависит от того, какой ток проходил через него вчера. Пропустили через него сигнал в одном направлении — сопротивление упало. В другом — выросло. Если убрать напряжение, мемристор запомнит свое последнее состояние.

Фактически, это одно устройство, которое совмещает функции ячейки памяти и вычислительного элемента. Такой подход позволяет создавать электронику, которая работает скорее как биологическая нейронная сеть, а не как классический процессор. Но как доказать, что какой-то материал ведет себя как мемристор? Ученые ищут на графике зависимости тока от напряжения особую фигуру — сжатую петлю гистерезиса.

Почему именно грибы?

Выбор грибницы в качестве материала для электроники может показаться странным. Но только на первый взгляд. Мицелий — корнеподобная сеть гриба, состоящая из тончайших нитей-гифов — это природная система обработки информации. Грибница постоянно анализирует окружающую среду и адаптируется к ней, отращивая новые связи и перераспределяя ресурсы. Она уже обладает способностью к адаптивной электрической сигнализации.

Ученые предположили, что эту природную способность можно направить в нужное русло. Преимущества такого подхода очевидны:

• Экологичность. Грибы биоразлагаемы и растут на простых органических субстратах. Никаких редкоземельных металлов и вредных производств.
• Доступность. Для выращивания не нужны стерильные лаборатории или дорогое оборудование. Процесс можно легко масштабировать.
• Устойчивость. Как показало исследование, грибница шиитаке обладает интересными дополнительными свойствами, например, устойчивостью к радиации.

Но как это работает на практике?

От чашки Петри к работающей схеме

Эксперимент был организован предельно просто. Исследователи вырастили мицелий шиитаке в чашках Петри на смеси из зерна и сена. Когда грибница полностью покрыла субстрат, ее высушили. В результате получился твердый, пористый диск.

Этот диск и стал основой для мемристора. Чтобы «включить» его, грибницу слегка опрыскали деионизированной водой для восстановления проводимости. Затем к ней подключили электроды и начали подавать электрические сигналы разной формы, частоты и напряжения.

Грибная сеть продемонстрировала то самое мемристивное поведение — на графиках появилась четкая петля гистерезиса. Ученым удалось не просто зафиксировать этот эффект, но и измерить его параметры. Оказалось, что грибной мемристор может работать на частотах до 5,85 кГц с точностью около 90%.

Более того, команда собрала на основе грибницы простую схему энергозависимой памяти (аналог оперативной памяти в компьютере) и показала, что она способна записывать и считывать данные. Процесс высушивания при этом позволяет «законсервировать» устройство для долгосрочного хранения.

Что это значит для будущего?

Это исследование находится на самом раннем этапе. Образцы пока довольно большие, и об их интеграции в современные гаджеты говорить рано. Однако оно открывает совершенно новое направление в электронике.

Технология выращивания позволяет создавать большие вычислительные сети буквально из ничего.

Источник: PLOS One