- ทีมนักวิจัยจาก NC State พัฒนาคอมพิวเตอร์เชิงกลที่อาศัยคิริกามิ ซึ่งสามารถเก็บ ค้นคืน และลบข้อมูลได้โดยไม่ใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ใช้เพียง คิวบ์พอลิเมอร์ที่เชื่อมต่อกัน
- หน่วยพื้นฐานคือ ยูนิตการทำงาน ที่ประกอบด้วยคิวบ์พลาสติกขนาด 1 ซม. จำนวน 64 ชิ้น โดยการดันคิวบ์ขึ้นหรือลงจะเปลี่ยนสถานะอย่าง 1 และ 0 รวมถึงโครงสร้างเรขาคณิตโดยรวม
- การแก้ไขข้อมูลทำได้ขณะดึงขอบของเมตาโครงสร้างเพื่อยืด เทปยืดหยุ่น และเมื่อปล่อย เทปจะหดกลับเพื่อล็อกคิวบ์และข้อมูลให้อยู่กับที่
- เมตาโครงสร้างแบบง่ายที่มี 9 ยูนิตการทำงาน ก็สามารถสร้างรูปแบบได้มากกว่า 362,000 แบบ ด้วยวิธีแบบไบนารีเพียงอย่างเดียว และยังมีการสาธิตโครงแบบหลายสถานะที่ซ้อนคิวบ์ได้สูงสุด 5 ระดับ
- โครงสร้างนี้มีศักยภาพต่อยอดไปสู่ การเข้ารหัส-ถอดรหัสเชิงกล, ระบบแฮปติกที่แสดงข้อมูลสามมิติ และแนวทางการเข้ารหัสที่ก้าวข้ามไบนารี
หน่วยความจำเชิงกลที่ไม่มีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์
- ทีมนักวิจัยจาก NC State ได้พัฒนาคอมพิวเตอร์เชิงกลที่ได้แรงบันดาลใจจากคิริกามิ ซึ่งสามารถ เก็บ ค้นคืน และลบ ข้อมูลได้โดยไม่ต้องพึ่งพาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์
- ระบบนี้ใช้โครงสร้างที่ซับซ้อนของ คิวบ์พอลิเมอร์ ที่แข็งและเชื่อมต่อถึงกัน
- ผู้ใช้สามารถสลับระหว่างสถานะที่แก้ไขข้อมูลได้ กับสถานะที่ล็อกข้อมูลให้อยู่กับที่
- คอมพิวเตอร์เชิงกลทำงานด้วยชิ้นส่วนเชิงกลแทนชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และในอดีตมักใช้ชิ้นส่วนอย่างคันโยกหรือเฟือง
- ระบบนี้อาศัย โครงสร้างหลายเสถียรภาพ ที่สามารถมีสถานะเสถียรได้มากกว่าสองสถานะ
วิธีที่คิวบ์คิริกามิเปลี่ยนสถานะ
- หน่วยพื้นฐานคือคิวบ์พลาสติกขนาด 1 ซม. และคิวบ์ที่เชื่อมต่อกัน 64 ชิ้นจะรวมกันเป็น ยูนิตการทำงาน หนึ่งชุด
- การออกแบบยูนิตการทำงานมีจุดเริ่มต้นจาก คิริกามิ ศิลปะการตัดและพับกระดาษ และนำหลักการนี้ไปใช้กับวัสดุสามมิติที่ถูกตัดให้เป็นคิวบ์ที่เชื่อมต่อกัน
- เมื่อดันคิวบ์หนึ่งชิ้นขึ้นหรือลง โครงสร้างเรขาคณิต หรือสถาปัตยกรรมของคิวบ์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อกันก็จะเปลี่ยนตาม
- สามารถดันคิวบ์ขึ้นหรือลงได้โดยตรงทางกายภาพ
- หรือจะติดแผ่นแม่เหล็กบนยูนิตการทำงานและใช้สนามแม่เหล็กเพื่อขยับจากระยะไกลก็ได้
- เมื่อนำยูนิตการทำงานแบบ 64 คิวบ์มารวมเป็น เมตาโครงสร้าง ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น ก็จะสามารถเก็บข้อมูลได้มากขึ้นหรือทำการคำนวณที่ซับซ้อนกว่าเดิม
กลไกการเขียน ล็อก และลบ
- คิวบ์แต่ละชิ้นเชื่อมต่อกันด้วย เทปยืดหยุ่น แบบบาง
- หากต้องการแก้ไขข้อมูล จำเป็นต้องเปลี่ยนรูปแบบของยูนิตการทำงาน โดยผู้ใช้จะดึงขอบของเมตาโครงสร้างเพื่อยืดเทปยืดหยุ่น
- เมื่อเทปอยู่ในสภาพที่ถูกยืดออก จะสามารถดันคิวบ์ขึ้นหรือลงได้
- เมื่อปล่อยเมตาโครงสร้าง เทปจะหดกลับและ ยึดตรึง คิวบ์กับข้อมูลเอาไว้
- สามารถดูวิดีโอคอมพิวเตอร์เชิงกลได้ที่ https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM
การแทนข้อมูลที่ก้าวข้ามไบนารี
- งานพิสูจน์แนวคิดนี้มุ่งเน้นที่การประมวลผลแบบไบนารี โดยมองสถานะที่คิวบ์ยกขึ้นหรือกดลงเป็น 1 หรือ 0
- หากใช้ระดับความสูงที่คิวบ์ยกขึ้นเป็นข้อมูล ก็จะสามารถทำการประมวลผลที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นได้
- ในระบบพิสูจน์แนวคิดนี้ คิวบ์สามารถมีได้ มากถึง 5 สถานะ
- ในทางทฤษฎี คิวบ์หนึ่งชิ้นสามารถส่งค่าได้ไม่ใช่แค่ 1 หรือ 0 แต่รวมถึง 2, 3 และ 4 ด้วย
- ยูนิตการทำงานแบบ 64 คิวบ์แต่ละชุดสามารถจัดเป็นสถาปัตยกรรมได้หลากหลายแบบ โดยคิวบ์ซ้อนกันได้สูงสุด 5 ระดับ
- อย่างไรก็ตาม โค้ด สำหรับใช้ประโยชน์จากสถาปัตยกรรมนี้ยังไม่ได้รับการพัฒนา และทีมนักวิจัยก็สนใจความร่วมมือเพื่อสำรวจศักยภาพด้านการเข้ารหัสของเมตาโครงสร้างนี้
ศักยภาพในการต่อยอดสู่การเข้ารหัสและระบบแฮปติก
- หนึ่งในการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้คือ การเข้ารหัส-ถอดรหัสเชิงกลแบบสามมิติ
- รูปแบบการจัดเรียงของยูนิตการทำงานบางแบบอาจทำหน้าที่เสมือนรหัสผ่าน 3D ได้
- แม้ในกรอบแบบไบนารีที่คิวบ์มีเพียงสถานะขึ้นหรือลง เมตาโครงสร้างแบบง่ายที่มี 9 ยูนิตการทำงานก็ยังมีรูปแบบที่เป็นไปได้มากกว่า 362,000 แบบ
- เมตาโครงสร้างนี้ยังอาจใช้กับ ระบบแฮปติก ที่แสดงข้อมูลในบริบทสามมิติ แทนที่จะเป็นพิกเซลบนหน้าจอ
- งานวิจัย “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” ตีพิมพ์ในวารสารเปิด Science Advances
- แพลตฟอร์มนี้สามารถทำหน้าที่เป็นหน่วยไบนารีหรือว็อกเซลแบบป๊อปอัปสำหรับการเขียน ลบ อ่านข้อมูล การเข้ารหัส และการประมวลผลตรรกะเชิงกล และเมื่อคลายสภาวะพรีเทนชัน ก็สามารถทำให้ข้อมูลมีเสถียรภาพโดยต้านทานการรบกวนเชิงกลและแม่เหล็กจากภายนอกได้
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
เขาได้สร้าง ลอจิกเกต ที่ใช้งานได้จริงสักตัวหรือเปล่า? ในวิดีโอเห็นแค่การพลิกบิตไปมาด้วยการควบคุมโดยตรง
แก้ไข: พอดูบทความวิจัยแล้วน่าจะใช่ “สุดท้าย เราสำรวจเมตาโครงสร้างนี้ในฐานะลอจิกเกตเชิงกลอย่างง่าย รูป 8(C, D) แสดงให้เห็นว่าได้ใช้ความเสถียรสองสถานะอย่างอิสระขององค์ประกอบเฉพาะตำแหน่ง เพื่อทำงานเป็นลอจิกเกต ‘OR’ และ ‘AND’”
ในส่วน “Mechanical logic gates” อธิบายว่าได้สร้าง เกต OR/AND วิธีอ่านเอาต์พุตคือเอาแผ่นราบที่ปรับระดับความสูงได้มาครอบพื้นที่เล็ก ๆ บนแพลตฟอร์ม ถ้าแผ่นราบยกขึ้นในแนวนอนให้อ่านเป็น “1” ถ้าเอียงหรือลดลงให้อ่านเป็น “0”
สำหรับ OR เมื่อยกและตรึง P1 ไว้แล้ว ถ้า S1 หรือ S2 ยกขึ้น จะเกิดแผ่นแนวนอนที่เสถียรและเป็น “1” ส่วน AND จะเป็น “1” ก็ต่อเมื่อ P1=P2=P3=1 เท่านั้น เพราะการสัมผัสสามจุดทำให้แผ่นยกขึ้นอย่างเสถียร เมื่อเทียบกับเมตาโครงสร้างลอจิกเชิงกลเดิมที่ส่วนใหญ่อยู่แค่ 1D/2D งานออกแบบนี้ขยายเป็น โครงสร้าง 3D และบอกว่าสามารถสร้าง NOR/NAND ได้ด้วยการเปลี่ยนองค์ประกอบโครงสร้าง
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
“งานพิสูจน์แนวคิดมุ่งไปที่ฟังก์ชันการคำนวณแบบไบนารีที่ลูกบาศก์ถูกดันขึ้นหรือดันลง แต่เราคิดว่ายังมีความเป็นไปได้ของการคำนวณที่ซับซ้อนกว่านั้น โดยส่งข้อมูลผ่านระดับความสูงที่ลูกบาศก์แต่ละก้อนถูกดันขึ้น เราแสดงให้เห็นว่าในระบบนี้ ลูกบาศก์สามารถมีสถานะได้ตั้งแต่ห้าสถานะขึ้นไป ในทางทฤษฎีหมายความว่าลูกบาศก์หนึ่งก้อนไม่ได้ส่งได้แค่ 1 หรือ 0 แต่ส่ง 2, 3, 4 ได้ด้วย”
นี่พยายามจะอยู่กึ่งกลางระหว่าง การคำนวณแบบแอนะล็อก กับดิจิทัลหรือเปล่า? จากคำอธิบายฟังดูเหมือนระบบคอมพิวเตอร์แอนะล็อกแบบจำกัด
ในระบบดิจิทัลสมัยใหม่ก็มีแบบที่ไม่ใช่ไบนารีมากมาย เช่น QLC SSD ของ NAND flash เก็บได้ 16 ระดับในหนึ่งเซลล์ เพื่อเข้ารหัสเทียบเท่า 4 บิต อีกตัวอย่างคือ 64-QAM ซึ่งเป็นวิธีมอดูเลชันที่ใช้ใน 802.11n Wi-Fi หรือทีวีดิจิทัลภาคพื้นดิน โดยคลื่นไซน์สองตัวที่มีเฟสต่างกันสามารถมีระดับแอมพลิจูดได้สูงสุดตัวละ 8 ระดับ
คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ก็ไม่ได้เป็นไบนารีเสมอไปเช่นกัน คอมพิวเตอร์โซเวียตรุ่นแรก ๆ เครื่องหนึ่งใช้ ฐานสาม ในการคำนวณหลัก แทนที่จะใช้ตัวเลข 2 ค่าอย่างที่เราคุ้นเคย
หน่วยความจำแฟลชก็ใช้เซลล์หลายระดับที่เก็บได้สูงสุด 4 บิตต่อเซลล์
“คอมพิวเตอร์เชิงกลคือคอมพิวเตอร์ที่ทำงานด้วยชิ้นส่วนกลไก ไม่ใช่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์”
สำหรับคนที่ตื่นเต้นกับคอมพิวเตอร์เชิงกล ควรนึกไว้ว่าอิเล็กตรอนเบากว่านิวคลีออนประมาณพันเท่า ดังนั้น คอมพิวเตอร์เชิงกล ต้องเคลื่อนอะตอมโดยพื้นฐานจึงจะทำงานได้ และมีแนวโน้มที่จะใช้พลังงานมากกว่าคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เสมอ
นั่นคือเป้าหมายสุดท้ายหรือเปล่า? ในเชิงทฤษฎีมีอะไรที่เข้าใกล้ขีดจำกัดของ Landauer ได้มากกว่าการคำนวณด้วยโฟตอนไหม? ไม่ใช่สาขาที่ผมเชี่ยวชาญ แต่ดูเป็นคำถามที่เหมาะจะถามตรงนี้
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
แต่ถ้าดู GA144 ของ Chuck Moore แม้ในสถานการณ์สุดขั้วแบบนั้นก็ยังมีพื้นที่ให้ปรับแต่งการคำนวณบนอิเล็กทรอนิกส์ได้อีกพอสมควร
[0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
ถ้าได้เป็นมหาเศรษฐี อยากทำห้องใหญ่ ๆ ในบ้านไว้สำหรับ คอมพิวเตอร์ยุคก่อนใช้ไฟฟ้า โดยเฉพาะ น่าทึ่งมากว่าหลังทรานซิสเตอร์แพร่หลาย มีของมากมายแค่ไหนที่แทบกลายเป็นเรื่องเล็กน้อยไปเลย และของอย่าง The Writer Automaton ก็ทำให้หลงใหลอย่างมากเสมอมา
ผมเรียนวิศวกรรมเครื่องกลมาและตอนนี้ทำงานอีกสาขา แต่ไม่ว่าจะเข้าใจความสำคัญทางสังคมอย่างไร ผมก็หลงใหลเสมอกับวิธีการจัดการ หลักการทางกล เพื่อบรรลุเป้าหมาย
เอาไปใช้ทำอะไรได้บ้าง? สภาพแวดล้อมรังสีสูง หรือสภาพแวดล้อมสุดขั้วอื่น ๆ?
ถ้าเป็นวิธีเชิงกล การนำไฟฟ้าอาจไม่ใช่เงื่อนไขจำเป็น ทำให้ชิ้นส่วนมีโอกาสทนได้นานขึ้น
https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS
มีกรณีไหนไหมที่รีบูตสังคมใหม่ได้ตั้งแต่ “การคำนวณเชิงกล” ไปจนถึงชิปที่กลับมาทำงานได้อีกครั้ง? ถ้าบอกว่าเหตุการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าระดับดาวเคราะห์ทำให้การคำนวณทั้งหมดพัง จะทำให้โรงงานอย่าง TSMC กลับมาเป็นปกติได้อย่างไร? จะรักษาการผลิตอาหารไว้ได้อย่างไร?
ด้วยคอมพิวเตอร์เชิงกลแบบนี้กับคำสั่งพื้นฐานเท่านั้น จะสามารถ กู้คืนจากสถานะศูนย์ ได้ไหม
หลายอย่างอาจนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แต่ก็มีขีดจำกัด แถมความรู้ส่วนใหญ่ถูกเก็บไว้แบบดิจิทัล และในนั้นจำนวนมากอยู่ในรูปแบบ proprietary ถ้ากู้คืนไม่ได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งก่อนที่ความเชี่ยวชาญเดิมจะหายไป ก็อาจต้องใช้เวลานานมาก หรืออาจไม่มีวันได้กลับคืนมาเลย
ไม่ว่าอย่างไร ผมมองว่าการทดลอง “ลองสร้างสังคมกันเถอะ” โดยมากเป็นไปไม่ได้ ต่อให้พยายามมากจริง ๆ ก็จะเอื้อให้กับกลยุทธ์ที่ค่าคาดหวังเป็นบวก แต่มีความน่าจะเป็นที่จะล้มเหลวสูงจนยอมรับไม่ได้ เพราะรู้ว่าถ้าล้มเหลวจริงก็กลับมาสู่โลกจริงแล้วไปโรงพยาบาลได้ จึงยอมรับความเสี่ยงอย่างโอกาสติดเชื้อจนตายราว 5% ได้ ครั้งหนึ่งอาจจบสวยด้วยโอกาส 95% แต่ถ้าทอยลูกเต๋าข้ามหลายชั่วอายุคน ก็จะเจอความล้มเหลวที่ถึงตาย
ถ้าทำหรือเก็บกู้ลวดได้ และทำชิ้นส่วนโลหะแผ่นเรียบง่ายอย่างทองเหลืองได้ ก็สร้างแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ถ้าสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ก็สร้างรีเลย์ได้ และแค่นั้นก็เพียงพอแล้ว อาจสตรีมมัลติมีเดียไม่ได้ แต่การควบคุมอัตโนมัติและการสื่อสารระยะไกลทำได้
แต่ก็อาจไม่ใช่ของที่เข้าถึงได้ง่าย และถ้าสิ่งที่หาเจอมีแค่แพลตฟอร์ม trusted execution อย่าง iPhone ก็อาจค่อนข้างมืดแปดด้าน
[1] http://collapseos.org/
อาจเป็นคำถามโง่ ๆ แต่คอมพิวเตอร์แบบนี้เหมาะกับสภาพแวดล้อมโหดร้ายอย่าง โรเวอร์สำรวจดาวศุกร์ ไหม?
ผมค่อนข้างชอบไอเดียส่งข้อมูลกลับด้วย รีโทรรีเฟลกเตอร์แบบหมุน ที่อ่านด้วยเลเซอร์จากวงโคจร
ลิงก์论文 น่าเสียดายที่ไม่ใช่โอเพนซอร์ส
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
นึกถึง QAM อยู่หน่อย ๆ
ให้ความรู้สึกเหมือน The Diamond Age ของ Neal Stephenson กลายเป็นจริง