پردازش قطره‌ای: کامپیوتری که به جای الکترون از حرکات قطرات آب استفاده می‌کند

در واقع، سیستم پردازشی مبتنی بر قطرات یک کامپیوتر سنکرون است و مانو پراکاش، استادیار زیست مهندسی دانشگاه استنفورد و دانشجویان او روی آن کار کرده‌اند. استفاده از مواد فیزیکی به‌عنوان داده‌های پردازشی در کامپیوترها ایده جدیدی نیست و حتی از چنین ایده‌ای در کامپیوترهای اولیه هم استفاده شده است. نظیر UNIVAC I که در آن از حافظه‌ای مبتنی بر جیوه مایع استفاده شده بود. آن‌چه در سیستم اخیر نوآوری محسوب می‌شود این است که می‌توان از ساختار فیزیکی تراشه برای هدایت حرکات ماده به روشی قابل اعتماد و از پیش برنامه‌ریزی شده استفاده کرد. پراکاش در زمینه این سیستم پردازشی چنین می‌گوید: «در حال حاضر، کامپیوترهای دیجیتال را در اختیار داریم که برای پردازش اطلاعات از آن‌ها استفاده می‌کنیم. هدف ما رقابت با کامپیوترهای الکترونیکی یا اجرای نرم‌افزارهایی نظیر واژه‌پرداز نیست. هدف ما ایجاد رده کاملاً جدیدی از کامپیوترها است که قادر باشند ماده فیزیکی را به‌دقت کنترل و دستکاری کنند.» به گفته وی با استفاده از این نوع کامپیوترها نه تنها اطلاعات پردازش می‌شود، بلکه به‌طور الگوریتمی روی ماده فیزیکی نیز پردازش صورت می‌گیرد. آن‌ها تاکنون موفق شده‌اند این نوع پردازش را در مقیاس مزو (10 میکرون تا 1 میلی‌متر) پیاده‌سازی کنند. با این روش، می‌توان به‌طور هم‌زمان میلیون‌ها قطره را در یک تراشه هدایت کرد. نکته مهم ویژگی قطرات است. هر قطره به‌طور طبیعی این قابلیت را دارد که موادی را مثل یک بسته در میان خود بگیرد و جابه‌جا کند. بنابراین، می‌توان به‌جای قرار دادن مواد در لوله‌های آزمایش، آن‌ها را در این قطرات قرار داد و با هدایت قطرات حاوی مواد مختلف، واکنش‌های مورد نظر را آزمایش کرد. تراشه‌ای که خوب طراحی شده باشد، به این روش می‌تواند آزمایش‌های شیمیایی را که شاید ماه‌ها طول می‌کشد، در چند دقیقه کامل کند. 

ایده ده‌ساله
نزدیک به یک دهه است که روی ساخت چنین کامپیوتری کار می‌شود و این ایده مدت‌ها است ذهن پراکاش را به خود مشغول کرده است؛ این‌که آیا می‌توان از قطرات کوچک به‌عنوان بیت‌های اطلاعاتی استفاده کرد و با استفاده از حرکات دقیق این قطرات، به‌طور هم‌زمان اطلاعات و مواد فیزیکی را پردازش کرد. پراکاش پیش از این در زمینه داینامیک قطرات سیال تحقیقاتی انجام داده بود و طراحی پردازنده مبتنی بر قطرات با تکیه بر تجربیات وی عملی شده است.
 با این‌که کنترل قطرات و حرکت دادن آن‌ها در یک مارپیچ اساساً کار ساده‌ای است (می‌توان با قرار دادن نانو ذرات مغناطیسی در قطرات این کار را انجام داد)، اما یافتن راهی برای هماهنگ کردن این حرکات بخش چالش برانگیز پروژه بوده است. او با رجوع به شیوه طراحی کامپیوترهای دیجیتال، راه حل را در استفاده از «ساعت» (Computer clock) دید. ساعت به‌عنوان قلب یک کامپیوتر سنکرون به حساب می‌آید و پراکاش تصمیم گرفت برای هم‌گام کردن قطرات از یک میدان مغناطیسی دوار استفاده کند که نقشی مشابه ساعت سیستم‌های کامپیوتری دیجیتال (الکترونیک) را بازی می‌کرد. 

ساعت مغناطیسی 
بدون وجود یک ساعت برای ایجاد هماهنگی، روند اجرای اعمالی که کامپیوتر باید انجام دهد، با اشکال مواجه می‌شود. همان طور که پراکاش می‌گوید: «دلیل دقیق کار کردن کامپیوترها این است که تک تک عملیات انجام شده به‌طور هماهنگ و هم‌گام اجرا می‌شود. این رمز قدرت منطق دیجیتال است.» هر برنامه کامپیوتری هم مجموعه‌ای از دستوراتی است که باید توسط پردازنده به‌طور گام به گام اجرا شوند و قرار دادن یک ساعت در معماری کامپیوتر این اطمینان را فراهم می‌کند که این اعمال با زمان‌بندی صحیح از ابتدا تا انتها اجرا شود. به‌طور خلاصه می‌توان گفت وجود ساعت نوعی هماهنگی بین اجزای معماری برقرار می‌کند. به‌منظور پیاده‌سازی یک ساعت مناسب برای کامپیوتر مبتنی بر سیال، چند مورد مهم باید در نظر گرفته شود؛ سادگی کار با چنین ساعتی و در عین حال قابلیت تأثیرگذاری هم‌زمان بر چند قطره و همچنین مقیاس‌پذیری. بدین معنا که بتوان در آینده تعداد قطرات را اضافه کرد و این قطرات بدون مشکل با هم ارتباط برقرار کنند. به عقیده پراکاش استفاده از یک میدان مغناطیسی دوار راه‌کار خوبی برای رسیدن به این اهداف است. 

ساختمان
ساختمان این سیستم به‌صورت آرایه‌ای از میله‌های آهنی کوچک به شکل T و I است که روی اسلاید شیشه‌ای قرار گرفته‌اند (شکل 1). یک لایه شیشه‌ای روی آن قرار داده شده و بین این دو شیشه لایه‌ای از روغن قرار می‌گیرد. قطرات آب حاوی نانو ذرات مغناطیسی به این مجموعه وارد می‌شوند. با استفاده از میدان مغناطیسی دوار می‌توان قطرات مغناطیس شده را بر اساس الگوهای معین کنترل کرد و حرکت داد. 

 شکل 1 ـ الف: آرایه‌ای از میله‌های به شکل T و I مسیر حرکت قطرات را تشکیل می‌دهند.
ب: مجموعه آرایه و قطرات تزریقی در میان سیم‌پیچ‌هایی قرار می‌گیرد که میدان مغناطیسی دوار را به آن اعمال می‌کنند. 

میدان مغناطیسی (ساعت سیستم) توسط سیم‌پیچ‌هایی که در اطراف مجموعه ذکر شده قرار دارند، به سیستم اعمال می‌شود. با هر بار گردش میدان، قطبیت میله‌ها معکوس می‌شود و قطرات مغناطیس شده را در یک جهت جدید و از پیش تعیین شده قرار می‌دهد. هر گردش میدان در حکم یک سیکل ساعت است و با هر سیکل ساعت، همه قطرات قرار داده شده در سیستم دقیقاً یک گام به پیش می‌روند. با چرخش مکرر میدان، قطرات روی مسیرهایی حرکت می‌کنند و نتیجه نهایی ظاهر می‌شود. به‌عنوان مثال، اگر در یکی از ورودی‌های گیت OR یک قطره قرار داده شود، به منزله ورودی یک و قرار نگرفتن قطره در ورودی دیگر به منزله ورودی صفر است. با اعمال پالس ساعت (گردش میدان مغناطیسی) قطره گام به گام حرکت می‌کند و روی خروجی گیت OR قرار می‌گیرد و این به منزله یک شدن خروجی است (شکل 2). 

 شکل 2 الف: 
1- پیاده‌سازی گیت OR و AND: ورودی‌های A (قرمز) و B (آبی) این گیت‌ها در شکل مشخص است. فلش‌ها مسیر حرکت قطره را نشان می‌دهد. به‌طور مثال، اگر قطره‌ای در A قرار داده شود، مسیر قرمز را طی می‌کند.
2- جدول درستی برای گیت‌های OR و AND
3- شماتیک دو گیت پیاده شده در حالت کلی
4- بر اساس جدول درستی، اگر ورودی A=0 و ورودی B=1 باشد (قطره فقط در B قرار داده شود)، با اعمال میدان مغناطیسی، قطره به‌مرور از نقطه B حرکت و مسیر نشان داده شده را طی می‌کند و به نقطه C (خروجی OR) می‌رسد. حضور قطره در این نقطه به معنای C=1 و نبود قطره در نقطه D (خروجی AND) به معنای D=0 است که مطابق جدول درستی است. 
5- اگر A=1 و B= 0 باشد، قطره فقط در خروجی OR دیده می‌شود. در نتیجه C=1 و D=0 است. 
6- در صورت یک بودن هر دو ورودی، در خروجی هر دو گیت قطره وجود دارد و نتیجه خروجی گیت OR و AND یک است. 

ب: پیاده‌سازی XOR (روند کار مشابه بخش الف) 

با تغییر چیدمان و طرح میله‌های روی تراشه، تمام ‌گیت‌های یونیورسال مورد استفاده در الکترونیک قابل پیاده‌سازی هستند. با استفاده از گیت‌های یونیورسال می‌توان هر نوع تابع منطقی را پیاده‌سازی کرد. در نتیجه، با کمک این قطرات کوچک مغناطیسی که به اطراف حرکت می‌کنند، می‌توان هر مدار منطقی بولی را ساخت. در مقاله منتشر شده در نشریه نیچر، این گروه پیاده‌سازی گیت‌هایOR ،AND و XOR را تشریح و ساخت فلیپ فلاپ (ماشین حالت ساده با قابلیت ذخیره یک بیت) را نیز نشان داده‌اند (شکل 3 و 4). به دلیل نوع پیاده‌سازی منطق در این کامپیوتر مبتنی بر قطرات، این سیستم به لحاظ نظری می‌تواند هر نوع عملیاتی را که یک کامپیوتر الکترونیکی معمولی قادر به انجام آن است اجرا کند، البته با سرعتی فوق‌العاده پایین‌تر. این سرعت پایین به‌عنوان یک محدودیت برای این سیستم مطرح نیست و پراکاش و همکارانش برای این کامپیوتر اهداف جاه‌طلبانه‌ای در نظر گرفته‌اند. تراشه‌های فعلی به اندازه نصف یک تمبر پستی هستند. با این حال، می‌توان چنین سیستمی‌ را در ابعاد کوچک‌تر پیاده‌سازی کرد. امکان کوچک‌سازی به همراه قابلیت کنترل هم‌زمان میلیون‌ها قطره توسط میدان مغناطیسی، میزان مقیاس‌پذیری این سیستم را نیز فوق‌العاده بالا می‌برد.

 شکل 3: ترکیب گیت‌های مختلف و نتایج حاصل

کاربردها
به عقیده پراکاش، یکی از کاربردهایی که از هم‌اکنون می‌توان به آن فکر کرد، امکان استفاده از چنین سیستمی‌ برای پردازش‌های بسیار پیچیده در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی و شیمی‌ است. به‌جای واکنش‌ها در لوله‌های آزمایشگاهی بزرگ، هر قطره استفاده شده در این سیستم می‌تواند برخی مواد شیمیایی را حمل کند و خود در حکم یک لوله آزمایش باشد. سیستم پردازشی مبتنی بر قطره، کنترل بی‌نظیری روی این واکنش‌ها ارائه می‌دهد. می‌توان این سیستم را کوچک و کوچک‌تر کرد، به‌ حدی که در هر لحظه اعمال بیش‌تری را انجام دهد و چنان کوچک شود که با قطراتی با ابعاد کوچک‌تر کار کند و روی یک تراشه کارهای بیش‌تری انجام شود. همین کوچک‌سازی نویدبخش کاربردهای جدیدتری نیز برای آن خواهد بود. 

 شکل 4: پیاده‌سازی بر اساس فلیپ فلاپ و نتایج حاصل

پراکاش در نظر دارد ابزاری طراحی برای این مدارهای مبتنی بر قطرات را در اختیار عموم قرار دهد. اکنون گروه‌های مختلف مردم می‌توانند قطعات اولیه منطقی را کنار هم قرار دهند و هر مدار مبتنی بر قطره را با هر پیچیدگی بسازند. پراکاش می‌گوید: «خیلی علاقه‌مند هستیم همه کسانی که می‌خواهند با این دستاورد کار کنند را درگیر کنیم تا همه قادر به طراحی مدارهای جدید بر اساس بلاک‌های سازنده‌ای که ما در این مقاله شرح داده‌ایم باشند و حتی خود بلاک‌های جدیدی بسازند.»

قطرات محاسباتی
پراکاش قطرات را بسته‌هایی می‌داند که می‌توانند مواد را جابه‌جا کنند. او درباره این سیستم می‌گوید: «هدف دستکاری سریع‌تر اطلاعات نیست، بلکه دستکاری سریع‌تر مواد است و این چیزی است که تاکنون به آن دسترسی نداشته‌ایم.» یکی از دلایلی که چنین ایده‌ای از نظر پراکاش جالب به نظر می‌رسد، این موضوع است که چنین راه‌کاری نگاه ما به محاسبات در دنیای فیزیکی را دگرگون می‌سازد. برخی معتقدند Computing اساساً یک فرآیند فیزیکی است و با ارائه سیستمی ‌نظیر سیستم پردازشی استنفورد، می‌توان درک بهتری از این موضوع داشت.

منابع:

-http://news.stanford.edu/news/2015/june/computer-water-drops-060815.html
-http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n7/full/nphys3341.html 
-http://www.wired.co.uk
-http://www.extremetech.com
-http://www.sciencealert.com