Design of unconventional electronic systems with parallel bioinspired models
Authors: Δούρβας Νικόλαος 
Published: November 2021

Από το 1965, ο νόμος του Μουρ πιέζει την τεχνολογία και τη βιομηχανία στα όριά τους. Η πρόβλεψη ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα θα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια έχει γίνει πραγματικότητα. Αλλά, φαίνεται ότι αυτή η πρόβλεψη φτάνει σε ένα τέλος. Ο σχεδιασμός των κατασκευαστών ημιαγωγών προβλέπει ότι η θεωρία του Μουρ θα παύσει να ισχύει εντός των επόμενων πέντε με δέκα ετών. Οι ανάγκες σε επεξεργαστική ισχύ, μειώνοντας ταυτόχρονα την ποσότητα της απαιτούμενης ενέργειας αυξάνονται ραγδαία. Νέες μεθοδολογίες μελετώνται για να διατηρηθεί αυτή η ορμή της βιομηχανίας, πολλές από αυτές κινούμενες σε διαφορετικές κατευθύνσεις και αναζητώντας μη συμβατικές μεθόδους και συνδυάζοντας διαφορετικά επιστημονικά πεδία. Τα κλασικά ηλεκτρονικά στοιχεία δεν αποτελούν το μοναδικό υλικό για υπολογισμούς. Η ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας συνέβη επειδή προσέφερε τη δυνατότητα δημιουργίας ταχύτερων, μικρότερων, φθηνότερων και καλύτερων υπολογιστικών συστημάτων. Από τη στιγμή που ο νόμος του Μουρ έχει αποδειχθεί ότι είναι ασφαλής για πολλά χρόνια, όλη η βιομηχανία επικεντρώθηκε μονο στα υπολογιστικά συστήματα που βασίζονται στο πυρίτιο. Αλλά, σε αυτό το μεταβατικό στάδιο, είναι η στιγμή νέες τεχνολογίες να αναδειχθούν και να δημιουργήσουν καινούριους ορίζοντες. Τα αυτο-συνειδητά και αυτο-εκφραστικά φυσικά συστήματα εμπνέουν νέες μεθοδολογίες στα πεδία των μηχανικών για την επίλυση σύνθετων υπολογιστικών προβλημάτων και αυτή είναι η βασική ιδέα πάνω στην οποία αναπτύσσεται αυτή η διατριβή: Η μελέτη διαφορετικών φυσικών ή χημικών υποστρωμάτων με στόχο το σχεδιασμό κυκλωμάτων που είναι ικανά να επιτύχουν υπολογισμούς. Μεταξύ πολλών άλλων παραδειγμάτων, οι βιολογικές δομές έχουν αποδείξει την ικανότητά τους να επιλύουν δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα και να επιβιώνουν για χιλιάδες χρόνια σε ανταγωνιστικά περιβάλλοντα. Η έρευνα για την κατανόηση των πολύπλοκων διαδικασιών σε πολυκύτταρους οργανισμούς βρίσκεται ακόμη σε πρωτογενή επίπεδα. Τα πρώτα βήματα έχουν ήδη ξεκινήσει με πιο απλές μορφές ζωής που παρουσιάζουν αξιοσημείωτες υπολογιστικές ικανότητες. Ένα παράδειγμα είναι ο μυξομύκητας Physarum Polycephalum, ένας μονοκύτταρος οργανισμός ορατός με το μάτι, ο οποίος παρουσιάζει αυτογνωσία και αυτο-εκφραστικότητα ενώ προσαρμόζεται στις αλλαγές στο δυναμικό του περιβάλλον και επιλύει προβλήματα κατανάλωσης πόρων, όπως είναι η εύρεση της βέλτιστης διαδρομής, η εφαρμογή σε διάφορα προβλήματα γράφων και η βελτιστοποίηση δικτύων μεταφορών. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον συγκεντρώνεται στο πλασμώδιο, το στάδιο κατα το οποίο ο συγκεκριμένος μυξομύκητας τρέφεται. Αυτό το μονό κύτταρο έχει μυριάδες πυρήνες που συμβάλλουν σε ένα δίκτυο βιοχημικών ταλαντωτών που είναι υπεύθυνοι για την κατανεμημένη αίσθηση, τις ταυτόχρονες πληροφορίες για επεξεργασία, τη λήψη αποφάσεων και την παράλληλη ενεργοποίηση. Η μοντελοποιηση της συμπεριφοράς του συγκεκεκριμένου μυξομύκητα είναι πολύ σημαντική για τη δημιουργία των βιοεμπνευσμένων αλγορίθμων και των πρωτοτύπων σε υλικό. Αρχικά, σε αυτή τη διδακτορική διατριβή έχει αναπτυχθεί ένα επιταχυμένο εικονικό εργαστήριο που χρησιμοποιεί ένα μοντέλο ΚΑ με πολλαπλούς πράκτορες για να περιγράψει τη συμπεριφορά του πλασμωδίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα έξυπνο, αυτόνομο, αυτοπροσαρμοζόμενο σύστημα σε διάφορα ετερογενή και άγνωστα περιβάλλοντα και η χρήση του εκτείνεται από διαφορετικούς τύπους προβλημάτων γράφων έως και εφαρμογές που μπορούν να λειτουργήσουν σε πραγματικό χρόνο.Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται ένα μοντέλο KA και μια προσέγγιση πολλαπλών πρακτόρων οι οποίοι μιμούνται τη συμπεριφορά του πλασμωδίου. Στη συνέχεια, δοκιμάζεται η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου μοντέλου σε προβλήματα γράφων, όπως είναι το πρόβλημα εύρεσης βέλτιστης διαδρομής σε λαβύρινθο ή το πρόβλημα του Πλανώδιου Πωλητή. Το εικονικό μοντέλο του Physarum αξιολογείται σε ένα σύνολο δεδομένων για σκοπούς αναγνώρισης προτύπων και επιτυγχάνει να σχηματίσει πολύ αποτελεσματικά τα γράμματα του αλφαβήτου. Επιπλέον πραγματικά πειράματα, που πραγματοποιήθηκαν για να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου μοντέλου, επιβεβαιώνουν το αποτέλεσμα των προσομοιώσεων. Επιπλέον, προκειμένου να αξιοποιηθεί ο εγγενής παραλληλισμός των ΚΑ και να γίνουν ταχύτερες οι αποκρίσεις του μοντέλου, προτείνονται και συγκρίνονται τόσο οι υλοποιήσεις σε μηχανή γραφικών για υπολογισμούς όσο και ειδικά προσαρμοσμένες υλοποιήσεις σε υλικό, όπως είναι μια FPGA.Επιπλέον, για το πρόβλημα σχεδιασμού διαδρομών προσομοιώθηκε η συμπεριφορά ενός πραγματικού ρομπότ σε λαβύρινθο που κάνει χρήση του βιοεμπνευσμένου μοντέλου. Η λύση βασίζεται σε ένα παράλληλο βιοεμπνευσμένο μοντέλο χημειοταξίας. Ο στόχος είναι η αποτελεσματική αναζήτηση μιας διαδρομής, η οποία μπορεί να συνδέσει την αρχική θέση ενός αυτόνομου ρομπότ με έναν τελικό ζητούμενο προορισμό. Για να βρεθεί αυτή η διαδρομή, το ρομπότ πρέπει να λάβει υπόψη τη γεωμετρία του, στοιχεία από το περιβάλλον του, όπως είναι ο περιορισμός των κινήσεων λόγω εμποδίων και άλλα χαρακτηριστικά της τοπολογίας. Η χημειοταξία είναι ένας όρος που απαντάται στη βιολογία και αναφέρεται στην κίνηση ενός οργανισμού ως απόκριση σε μια χημική ουσία που δρα ως ερέθισμα. Μεταξύ πολλών παραδειγμάτων τέτοιων βιολογικών δομών, στη συγκεκριμένη διατριβή εμπνευστήκαμε από το Physarum Polycephalum, αφού αυτός ο μυξομύκητας έχει δείξει την ικανότητα να βρει το συντομότερο μονοπάτι σε ένα λαβύρινθο μεταξύ δύο σημείων, όπου υπάρχουν χημικά ερεθίσματα, ακολουθώντας την διασπορά και εξάπλωση των χημικών ουσιών που διαχέονται από τα ερεθίσματα στο χώρο. Έτσι, η χημειοταξία χρησιμοποιείται για να οδηγήσει το ρομπότ στον επιθυμητό προορισμό του μέσα σε ένα λαβύρινθο. Μια συσκευή που μεταδίδει σήματα μπορεί να θεωρηθεί ως ισοδύναμη χημική πηγή και το ρομπότ, που είναι ο δέκτης, θα ακολουθήσει την αυξανόμενη ποσότητα του σήματος όσο κινείται στο χώρο. Επιπλέον, ένα αποτελεσματικό εργαλείο, που έχει τη δυνατότητα προσομοίωσης ενός τέτοιου προβλήματος μειώνοντας την πολυπλοκότητα των υπολογισμών και ταυτόχρονα μιμούμενο τη συγκεκριμένη συμπεριφορά, είναι τα ΚΑ και στη συγκεκριμένη περίπτωση συνδυάζονται με τη χημειοταξία. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η εφαρμογή ενός ΚΑ βασισμένου σε αλγόριθμο εμπνευσμένου από τη βιολογία. Επιπλέον ένα ρομπότ E-Puck χρησιμοποιεί τον συγκεκριμένο αλγόριθμο για να βρει τη συντομότερη διαδρομή σε διαφορετικές τοπολογίες. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή προτείνεται επίσης ο σχεδιασμός ενός μοντέλου ΚΑ, που είναι βασισμένο στη συμπεριφορά του πλασμωδίου, με εφαρμογή στην αρχαιολογία. Έχοντας μια χωρική διαμόρφωση με πηγές θρεπτικών συστατικών, ο μυξομύκητας εκτείνεται σε αυτές τις πηγές με δίκτυα του πρωτοπλασματικού του σωλήνα. Αυτά τα δίκτυα ανήκουν σε μια οικογένεια γραφημάτων επίπεδης εγγύτητας. Τα πρωτοπλασματικά δίκτυα δείχνουν επίσης έναν βαθμό ομοιότητας με τα δίκτυα μεταφορών οχημάτων. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η συμπεριφορά του πλασμωδίου κατά το στάδιο αναζήτησης τροφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να εφαρμοστεί στην αρχαιολογική έρευνα για να συμπληρώσει και να ενισχύσει τα συμβατικά εργαλεία γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν υπέφεραν από τον περιορισμό ενός επίπεδου υποστρώματος που σημαίνει οι διαδρομές μεταφοράς που μοντελοποιούνται δεν χρησιμοποιούν μοτίβα με διαφορετικά ύψη. Για να ξεπεραστεί ο περιορισμός του «επίπεδου κόσμου», κατασκευάστηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο των Βαλκανίων. Με εργαστηριακά πειράματα και με τη μοντελοποίηση με τη χρήση υπολογιστών αναδεικνύονται μοτίβα συμπεριφοράς του πλασμωδίου που μπορούν να ρίξουν φως στο σχεδιασμό τον ρωμαϊκών δρόμων στα Βαλκάνια κατά την αυτοκρατορική περίοδο (1ος αιώνας π.Χ. - 4ος αιώνας μ.Χ.).Η αναδυόμενη συμπεριφορά από απλά συστατικά μπορεί επίσης να απαντηθεί στη χημεία. Ο χημικός υπολογισμός αναφέρεται στον υπολογισμό χρησιμοποιώντας χημικές αντιδράσεις. Τέτοια παραδείγματα είναι τα χημικά συστήματα αντίδρασης-διάχυσης. Τα μοντέλα αντίδρασης-διάχυσης περιγράφουν την αλλαγή στη συμπεριφορά μιας ή περισσότερων χημικών ουσιών στο χώρο και το χρόνο. Η αλληλεπίδραση αντίδρασης-διάχυσης μπορεί να δημιουργήσει χημικά χωρικά κύματα όταν τα συστήματα που χρησιμοποιούνται δε βρίσκονται σε ισορροπία. Η ταχύτητα και η κατεύθυνση αυτών των κυμάτων μπορεί να ελεγχθεί και να αλλάξει χρησιμοποιώντας κάποιες ουσίες που δρουν ως διεγέρτες ή καταστολείς. Πιο συγκεκριμένα, τα χημικά μέσα που χρησιμοποιούν χημικούς διεγέρτες ειναι συστήματα χωρικά κατανεμημένα που χαρακτηρίζονται από την ικανότητά τους να μεταδίδουν σήματα χωρίς αποσβέσεις σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ αυτά που χρησιμοποιούν καταστολείς χρησιμοποιούνται για να εμποδίσουν τη μετάδοση αυτών των σημάτων. Οι χημικοί ταλαντωτές βασίζονται σε τέτοιες συμπεριφορές. Μια χημική ένωση από αντιδρώντα χημικά συστατικά, όπου η συγκέντρωση ενός από αυτά τα συστατικά αλλάζει περιοδικά χαρακτηρίζεται ως χημικός ταλαντωτής ή χημικό ρολόι. Η επιλογή του κατάλληλου χημικού ρολογιού σε ένα διδιάστατο λεπτό υπόστρωμα μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση περιοδικών μηχανικών δυνάμεων που παράγουν χημικά κύματα που ταξιδεύουν στο χώρο και το αποτέλεσμα είναι να υπάρχει μετακίνηση. Οι ιδιότητες αυτών των κυμάτων, όπως είναι η ταχύτητα και η κατεύθυνση μπορούν να ελεγχθούν και να μεταβληθούν αν το χημικό σύστημα περιέχει φωτοευαίσθητα συστατικά. Το παράδειγμα που έχει μελετηθεί περισσότερο στη βιβλιογραφία είναι η αντίδραση Belousov-Zhabotinsky (BZ), η οποία περιλαμβάνει κάποια θεμελιώδη και ουσιαστικά χαρακτηριστικά που ελκύουν επιστήμονες από το χώρο της χημείας, της βιολογίας καθώς και της πληροφορικής. Αυτή η αλληλεπίδραση των διεγερμένων χημικών κυμάτων σε ένα σύστημα ΒΖ μπορεί να μεταφραστει σε όρους της άλγεβρας Boole και να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό μη συμβατικού υλικού για υπολογισμούς. Λογικές πύλες και πολύπλοκες συσκευές έχουν ήδη προταθεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές τοπολογίες και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, η εγγενής παραλληλία και η απλότητα των ΚΑ συνδυάζεται με το διαδεδομένο μοντέλο Oregonator σε μια φωτοευαίσθητη εκδοχή της αντίδρασης BZ. Το παράλληλο και φθηνό στην κατανάλωση υπολογιστικών πόρων μοντέλο έχει την ικανότητα να προσομοιώνει μια τοπολογία που λειτουργεί ως ανάλογο ενός πλήρη αθροιστή ενός μπιτ. Με βάση αυτό μπορούν να συνδυαστούν πολλά τέτοια χημικά κυκλώματα για τη δημιουργία πιο πολύπλοκων όπως για παράδειγμα μιας Λογικής Αριθμητικής Μονάδας.Επιπλέον, το συγκεκριμένο μοντέλο ΚΑ στα πλαίσια της διατριβής δοκιμάστηκε σε διαφορετικές τοπολογίες και εκμεταλλευόμενο συμπεριφορές που προκύπτουν λόγω συγκρούσεων των κυμάτων ή φωτοευαισθησίας του χημικού ταλαντωτή ΒΖ, δημιούργησε ενα διακοπτικό στοιχείο με στοιχεία κάποιας ενίσχυσης που είναι ικανό να διαχωρίζει δύο λογικές καταστάσεις, δηλαδή ένα στοιχείο παραπλήσιο του τρανζίστορ βασισμένο στην αντίδραση BZ. Με έμπνευση από την τεχνολογια CMOS, έγινε συνδυασμός δύο τέτοιων διακοπτικών στοιχείων ΒΖ για να δημιουργηθούν λογικές πύλες όπως είναι οι OR, NOT, NAND, NOR κ.α. Το μοντέλο σχεδιάστηκε στην ανοιχτή πλατφόρμα προγραμματισμού "Processing". Με στόχο την εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών παραλληλίας της χημικής αντίδρασης, τα οποία ενσωματόνωνται στα ΚΑ χρησιμοποιήθηκε επίσης μια κάρτα γραφικών για υπολογισμούς με το προγραμματιστικό περιβάλλον CUDA-C.Ένα άλλο παράδειγμα υλικών που περιέχουν μια πλειάδα ενδιαφέροντων χαρακτηριστικών, όπως είναι η συλλογική δυναμική που εμπεριέχεται στα δομικά στοιχεία του, είναι τα "Artificial Spin Ice " (ASI). Το δομικό στοιχείο ενός συστήματος που περιέχει τέτοια υλικά είναι ένας διπολικός μαγνήτης με διαστάσεις σε επίπεδο μικρότερο των μικρομέτρων. Αυτοί οι νανο-μαγνήτες τοποθετούνται σε συγκεκριμένες τοπολογίες που έχουν συνήθως τετραγωνικό σχήμα και συνδυάζονται μεταξύ τους λόγω των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Με την επίδραση εξωτερικών μαγνητικών πεδίων είναι δυνατό να δημιουργηθούν μαγνητικές στιγμές που προκαλούν διέγερση στο σύστημα. Εξαιτίας των τοπικών αλληλεπιδράσεων αυτές οι μαγνητικές στιγμές ταξιδεύουν μέσα στην τοπολογία.Τα συστήματα (ASI) αρχικά αναπτύχθηκαν για να μιμηθούν τη συμπεριφορά των σπινς που υπάρχουν σε διάφορους κρυστάλλους στη φύση. Τέτοια παραδείγματα είναι τα πυροχλωρικά τιτανικά σπάνιων γαιών, των οποίων τα σπινς τοποθετούνται στις γωνίες των τετραέδρων. Η αρχική παρατήρηση προήλθε από τη φύση και πιο συγκεκριμένα από την οργάνωση του κρυστάλλου του πάγου και τον τρόπου που κατανέμονται τα μόρια των οξυγόνων και των υδρογόνων. Σε αυτόν τον κρύσταλλο κάθε οξυγόνο έχει τέσσερα υδρογόνα γύρω του, εκ των οποίων τα δύο βρίσκοντα κοντά του και τα άλλα δύο μακριά του τα οποία μοιράζονται με τα γειτονικά οξυγόνα. O Linus Pauling ανακάλυψε ότι ακόμα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες τα άτομα υδρογόνου παραμένουν σε αταξία και ακολουθούν αυτή τη διάταξη δύο-μέσα, δύο-έξω πού είναι ο κανόνας του πάγου. Τα spin ices είναι υλικά των οποίων ο κρύσταλλος αποτελείται από τετράεδρα με γωνίες όπου βρίσκονται μαγνιτικά ιόντα καθένα από τα οποία έχει μη μηδενική μαγνητική στιγμή, που ονομάζεται σπιν και η οποία ικανοποιεί τον κανόνα δύο-μέσα δύο-έξω σε κάθε τετράεδρο. Η παρατήρηση τέτοιων συστημάτων είναι μια αρκετά δύσκολη διαδικασία εξαιτίας της εξαιρετικά γρήγορης εναλλαγής των σπιν. Για αυτό το λόγο, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μεσοσκοπικά συστήματα με υλικά όπως είναι μαγνητικές σφαίρες (κολλοειδή), οι οποίες τοποθετούνται μεσα σε νησίδες δύο θέσεων σε πλέγματα με περιοδική διάταξη. Έτσι δημιουργείται διέγερση λόγω του σχεδιασμού, ανάλογα με τη θέση που βρίσκεται η μαγνητική σφαίρα. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητικών σφαιρών βασίζονται στις δυνάμεις Coulomb που ασκούνται και οι οποίες συνήθως μοντελοποιούνται με εξισώσεις Brownian. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, προτείνεται ένα απλό μοντέλο ΚΑ, το οποίο περιγράφει αποτελεσματικά τις δυναμικές που υπάρχουν μεταξύ των νανομαγνητων σε ενα ASI σύστημα με τετραγωνική διάταξη. Εφαρμόζοντας κάποιο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο υπάρχει η δυνατότητα να επηρεαστούν οι αρχικές θέσεις των νανο-μαγνητών, να υπάρξει τοπική διέγερση και να υπάρξει μεταφορά μαγνητικού φορτίου από τη μία περιοχή του πλέγματος στην άλλη, η οποία μπορεί να μεταφραστεί σε δυαδική λογική. Έτσι με αυτό το μοντελο ΚΑ, προτείνεται ο σχεδιασμός λογικών πυλών και υπολογιστικών στοιχείων όπως είναι ημιαθροιστές και στοιχεία μνήμης ικανα να γράψουν ή να διαβάσουν μπιτ πληροφορίας.