Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/wassertropfen-statt-elektronen-neuartiger-computer-manipuliert-materie-1506-114666.html    Veröffentlicht: 17.06.2015 11:47    Kurz-URL: https://glm.io/114666

Wassertropfen statt Elektronen

Neuartiger Computer manipuliert Materie

Forschern aus Stanford ist das erste System gelungen, dessen Schaltkreise aus magnetisierbaren Tropfen bestehen. Das Ziel ist eine Computerklasse, die durch Manipulation von Materie neue Denkweisen eröffnet. Anwendungen könnten in der Chemie liegen.

Computer, deren Schaltkreise mit Flüssigkeiten arbeiten, gibt es bereits seit den 1960er Jahren. Sie werden in der Fluidik (fluidische Logik) beschrieben und nutzen das Prinzip der Strömungslehre. Heute werden solche dynamischen Fluidik-Systeme, die aus Kolben, Klappen oder Membranen aufgebaut sind, nur noch für wenige Sonderaufgaben verwendet. Der Stanford-Dozent Manu Prakash beschreitet mit seinem Team jedoch neue Wege: Durch die Beigabe von magnetisierbaren Nanopartikeln in einem flüssigen Medium kann ein Taktgeber eingesetzt werden.

Während alle früheren Systeme seriell und nicht synchron aufgebaut waren, wurde somit nun erstmals ein taktgesteuertes System entwickelt, das durch den parallelen Aufbau extrem skalierbar ist. "Unser Ziel ist es, eine komplett neue Geräteklasse zu erschaffen, die Materie gezielt und präzise manipulieren kann. Mit dieser Arbeit demonstrieren wir eine universelle und synchrone Logik aus Tropfen", sagt Prakash.

Stärken liegen nicht in der Rechenleistung

Mit elektronischen Computersystemen will die Gruppe nicht konkurrieren. Auch wenn durch den universellen Aufbau theoretisch jede Operation ausgeführt werden kann, die mit konventionellen elektrischen Schaltkreisen denkbar ist, liegen die Stärken woanders. Außer durch hohe Skalierungsfähigkeit besticht das System durch seine Präzision. Die Fähigkeit, Materie zu manipulieren, ermöglicht neue Anwendungen - absehbar sind diese allerdings noch nicht.

Denkbar ist der Einsatz in chemischen oder biologischen Test- oder Analyseverfahren, die mit Hilfe von Ferrofluiden beschleunigt werden könnten. Konkret wollen die Forscher chemische Stoffe mittels der Tropfen einschließen, um diese für weitere Verfahren schnell und effizient zu transportieren. Auch ein Chiplabor (Lab-on-a-Chip) ist möglich. Parkash ist von der Gleichzeitigkeit fasziniert: "Stellen Sie sich vor, dass neben Berechnungen nicht nur Information verarbeitet, sondern zusätzlich Materie algorithmisch manipuliert wird."

Eine Uhr als Taktgeber

Prakash beschäftigte sich bereits zu Schulzeiten mit der Idee, kleine Tropfen in Informationseinheiten zu verwandeln, mit deren Hilfe sich physikalische Eigenschaften verarbeiten und beeinflussen lassen. Während in elektrischen Schaltkreisen meist ein Schwingquarz als Taktgeber dient, hat sich Stanford für ein Drehfeld entschieden. Über den Magnetismus lassen sich die Tropfen nun wie in einem Uhrwerk synchronisieren.

"Der Grund dafür, dass Computer so präzise funktionieren, ist, dass jede Operation synchron abläuft. Deswegen ist die digitale Logik mächtig", sagt Parkash und beschreibt ein Beispiel aus der Realität: "Eine Soldatentruppe, die im Gleichschritt marschiert, wird über kurz oder lang auseinanderbrechen, wenn eine Person auffallend aus dem Takt gerät. Dasselbe gilt für simultane Computerberechnungen, wenn diese nicht über eine Uhr synchronisiert werden."



Pac-Man-Labyrinth als Steuerhilfe

Die Realisierung einer magnetischen Uhr erforderte viel Kreativität. Die Anforderung war, ein System zu schaffen, das beliebig skalierbar und einfach zu handhaben ist. Schlussendlich entschieden sich die Forscher für eine Anordnung aus kleinen Metallstäben in einer Schicht aus Glasplatten, in der ein Film aus Öl eingelassen wird. Das 2D-Labyrinth erinnert optisch an das Level-Design von Pac Man. Sobald das Drehfeld aktiv ist, wird mit jedem Frequenzwechsel die magnetische Polarität der Metallstäbchen umgekehrt, und die Tropfen bewegen sich in einem vorgegebenen Pfad. Jeder Wechsel des Magnetfelds zählt als eine Taktperiode und bewegt gleichsam jeden Tropfen immer einen Schritt weiter. Eine Kamera dient als Detektor und wertet die Präsenz oder Abwesenheit jedes Tropfens als logische 0 oder 1.

Die Synchronisierung der Uhr ermöglicht eine perfekte Synchronizität der Informationsteilchen und eine unendlich lange Laufzeit, ohne dass ein einziger Fehler passiert. Durch die beliebige Anordnung der Metallstäbchen lässt sich jedes erdenkliche Logik-Gatter auf Basis der booleschen Algebra realisieren. Prakash und sein Team beschreiben in einem Arbeitspapier alle möglichen Varianten: AND, OR, XOR, NOT und NAND. Somit lassen sich auch Bit-stabile Kippstufen (Flipflop) realisieren, um einfache Speicherzustände zu halten.

Ein neuer Ansatz, Materie zu beeinflussen

Derzeitige Chips sind etwa halb so groß wie eine Briefmarke und die Tropfen kleiner als ein Mohnkorn. Zukünftig soll das System weiter miniaturisiert werden, um die Rechenleistung weiter zu erhöhen. Außer durch Robustheit gefällt es durch die außergewöhnlich hohe Skalierbarkeit, da man Millionen von Tropfen gleichzeitig magnetisieren kann. Viel Potential versprechen sich die Forscher für die Verwendung in einem chemischen Labor, wo bestimmte Anwendungen eine hohe Durchsatzleistung verlangen. Anstatt chemische Reaktionen akribisch in einzelnen Reagenzgläsern zu erzwingen, sollen die magnetisierbaren Tropfen als Träger eingesetzt werden.

Schlussendlich wird jeder Tropfen zum eigenen Reagenzglas. Durch die tropfengenaue Ansteuerung erreicht man eine hohe Genauigkeit in der chemischen Synthese. Sollte nur das Tempo in der medizinischen Forschung damit beschleunigt werden, wäre dies bereits ein Meilenstein. Der von vielen erhofften Revolution in der personalisierten Medizin könnte man damit einen großen Schritt näher kommen.

Zum Beispiel ließe sich eine tropfengenaue Dosierung und Abmischung einer Medizin erstellen, die exakt auf den jeweiligen Organismus abgestimmt ist. Auch in der mobilen Analyse gibt es viel Bedarf. Aktuelle Lab-on-a-Chip-Lösungen ermöglichen bereits einfache und laborunabhängige Tests mit Blutproben. Für komplexere Aufgaben wie die Mischung von Chemikalien in bestimmten Reihenfolgen sind diese jedoch nicht geeignet.

Tropfen-Schaltkreise für alle

Für die Zukunft plant Prakash, ein Design-Tool zu veröffentlichen, um die Tropfen-Schaltkreise der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Theoretisch kann dann jeder seine Wunschschaltung aus Magnettropfen aufbauen. Der Stanford-Dozent möchte alle ermutigen, über dieses System neue Ansätze in der Informationsverarbeitung zu erproben: "Wir sind sehr daran interessiert, jedem die Möglichkeit zu geben, sich mit Hilfe unserer Arbeit einzubringen und neue Schaltkreise zu bauen. Ein komplexer Prozessor, der mit Materie arbeitet und ohne externe Ansteuerung auskommt, war bisher nur sehr schwer zu verwirklichen. Nun kann jeder solche Schaltkreise realisieren."

Prakash sieht viel Potenzial: "Computer haben einen besonderen Stellenwert, wenn man auf große Fortschritte in unserer Gesellschaft zurückblickt. Wir versuchen nun, diese exponentielle Entwicklung aus der digitalen Welt in die physikalische Welt zu übertragen."  (mak)


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