Швейцарские ученые создали компактный биопроцессор из клеточных структур мозга
В стремлении открыть новую эру экологичных и энергоэффективных вычислительных технологий стартап FinalSpark представил революционную разработку. Компания создала первую в мире онлайн-платформу, позволяющую удаленно работать с биологическими процессорами. Эти инновационные вычислительные устройства построены на основе живых клеточных структур, культивированных из стволовых клеток человека.
Уникальность разработки заключается в том, что указанные биологические конструкты способны выполнять задачи обучения и обработки данных, аналогично функционированию нейронных сетей. При этом их энергопотребление является экстремально низким – согласно данным FinalSpark, в миллион раз меньшим, чем у традиционных цифровых чипов.
Открытие столь энергоэкономичных процессоров может коренным образом снизить негативное воздействие компьютерных вычислений на окружающую среду. В качестве наглядного примера авторы указывают, что обучение одной современной языковой модели типа GPT-3 требует порядка 10 ГВт-ч электроэнергии, что примерно в 6000 раз превышает годовое энергопотребление среднего европейца. Применение биопроцессоров позволит радикально сократить такие чудовищные затраты энергии.
Таким образом, FinalSpark представила первый коммерческий продукт в области биологических вычислений, ставший доступным для удаленного использования, открывая тем самым новые горизонты для создания экологичных компьютерных технологий.
Инновационная разработка объединяет аппаратные компоненты, программное обеспечение и живые биологические элементы в рамках концепции wetware. Ключевым звеном выступают 4 многоэлектродные матрицы размером 6,67х6,67 мм, на каждой из которых располагаются по 4 трехмерные культуры клеток, имитирующие ткани человеческого мозга.
Эти клеточные структуры, называемые органоидами, выращены из стволовых клеток человека с применением метода индуцированной плюрипотентности, позволяющего создавать различные типы клеток и тканей.
Каждый органоид соединен с 8 электродами многоэлектродной матрицы. Эти электроды служат двум целям: подавать электрические импульсы для стимуляции нейронов и считывать электрическую активность этих клеток.
Сигналы с электродов оцифровываются контроллером Intan RHS32 с частотой дискретизации 30 кГц и 16-битным разрешением, после чего передаются по каналам связи.
Программная составляющая позволяет исследователям вводить входные данные в виде электрических импульсов на органоиды через электроды, а затем анализировать выходную электрическую активность этих клеточных культур.
Кроме того, в состав системы входят микрофлюидные устройства для поддержания жизнедеятельности органоидов, а также камеры для визуального наблюдения за этими биологическими структурами.
На текущий момент нейроплатформа FinalSpark открыла удаленный доступ для 9 университетов с целью проведения исследований в области биологических вычислений. Еще порядка 30 высших учебных заведений выразили интерес к этой технологии, при этом стоимость доступа для них составит $500 ежемесячно за каждого задействованного пользователя.
Ключевой особенностью и неоспоримым преимуществом биопроцессоров является их феноменально низкое энергопотребление, в миллион раз меньшее, чем у традиционных кремниевых процессоров. Но жизненный цикл органоидов ограничен примерно 100 днями, что значительно уступает многолетней работоспособности обычных чипов. Первые многоэлектродные решетки функционировали всего несколько часов, но последующие усовершенствования позволили продлить период активности органоидов приблизительно до 100 дней.