Máy tính cơ học hoạt động bằng các khối kirigami thay vì thiết bị điện tử

• Nhóm nghiên cứu tại NC State đã phát triển một máy tính cơ học dựa trên kirigami có thể lưu trữ, truy xuất và xóa dữ liệu chỉ bằng các khối polymer liên kết với nhau, không cần linh kiện điện tử
• Đơn vị cơ bản là một khối chức năng gồm 64 khối nhựa kích thước 1 cm, trong đó việc đẩy các khối lên hoặc xuống sẽ làm thay đổi trạng thái như 1 và 0 cũng như toàn bộ cấu trúc hình học
• Việc chỉnh sửa dữ liệu có thể thực hiện khi kéo mép của siêu cấu trúc để làm giãn băng đàn hồi; khi thả ra, băng sẽ co lại để cố định các khối và dữ liệu
• Ngay cả một siêu cấu trúc đơn giản gồm 9 khối chức năng cũng có thể tạo ra hơn 362.000 cấu hình chỉ với phương thức nhị phân, và nhóm nghiên cứu cũng đã trình diễn các cấu hình đa trạng thái với các khối có thể xếp cao tối đa 5 mức
• Cấu trúc này có tiềm năng mở rộng sang mã hóa·giải mã cơ học, các hệ thống xúc giác hiển thị thông tin ba chiều, và các phương thức mã hóa vượt ra ngoài nhị phân

---

Bộ nhớ cơ học không có linh kiện điện tử

• Nhóm nghiên cứu tại NC State đã phát triển một máy tính cơ học lấy cảm hứng từ kirigami có thể lưu trữ·truy xuất·xóa dữ liệu mà không phụ thuộc vào linh kiện điện tử
• Hệ thống sử dụng một cấu trúc phức tạp gồm các khối polymer cứng, liên kết với nhau
• Người dùng có thể chuyển đổi giữa trạng thái cho phép chỉnh sửa dữ liệu và trạng thái khóa dữ liệu cố định tại chỗ
• Máy tính cơ học hoạt động bằng các bộ phận cơ khí thay vì linh kiện điện tử, và trong lịch sử thường dùng các thành phần như đòn bẩy hoặc bánh răng
• Hệ thống lần này tận dụng cấu trúc đa ổn định, có thể tồn tại ở từ hai trạng thái ổn định trở lên

Cách các khối kirigami thay đổi trạng thái

• Đơn vị cơ bản là các khối nhựa kích thước 1 cm, và 64 khối được liên kết tạo thành một khối chức năng
• Thiết kế khối chức năng bắt nguồn từ kirigami, nghệ thuật cắt và gấp giấy, và áp dụng nguyên lý này vào vật liệu 3D được cắt tạo thành các khối liên kết với nhau
• Khi đẩy một khối lên hoặc xuống, cấu trúc hình học hoặc kiến trúc của toàn bộ các khối liên kết sẽ cùng thay đổi
  • Có thể trực tiếp dùng lực vật lý để đẩy khối lên hoặc xuống
  • Cũng có thể gắn một tấm từ tính lên khối chức năng và áp dụng từ trường để điều khiển từ xa
• Khi ghép các khối chức năng 64 khối thành một siêu cấu trúc phức tạp hơn, có thể lưu trữ nhiều dữ liệu hơn hoặc thực hiện các phép tính phức tạp hơn

Cơ chế ghi·khóa·xóa

• Các khối được nối với nhau bằng băng đàn hồi mỏng
• Để chỉnh sửa dữ liệu, cần thay đổi cấu hình của khối chức năng, và người dùng sẽ kéo mép của siêu cấu trúc để làm giãn băng đàn hồi
• Khi băng đang bị kéo giãn, có thể đẩy các khối lên hoặc xuống
• Khi thả siêu cấu trúc ra, băng sẽ co lại để cố định các khối và dữ liệu
• Có thể xem video về máy tính cơ học tại https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM

Biểu diễn thông tin vượt ngoài nhị phân

• Công trình chứng minh khái niệm tập trung vào điện toán nhị phân, trong đó trạng thái khối đi lên hoặc đi xuống được xem là 1 hoặc 0
• Nếu dùng độ cao mà khối được nâng lên làm dữ liệu, có thể thực hiện các dạng tính toán phức tạp hơn
• Trong hệ thống chứng minh khái niệm, các khối có thể có từ 5 trạng thái trở lên
  • Về lý thuyết, một khối đơn lẻ có thể truyền không chỉ 1 hoặc 0 mà còn cả 2, 3, 4
• Mỗi khối chức năng 64 khối có thể được cấu hình thành nhiều kiến trúc khác nhau, trong đó các khối có thể xếp cao tối đa 5 mức
• Tuy nhiên, mã để khai thác kiến trúc này vẫn chưa được phát triển, và nhóm nghiên cứu quan tâm đến việc hợp tác để khám phá khả năng mã hóa của siêu cấu trúc

Tiềm năng mở rộng sang mã hóa và hệ thống xúc giác

• Một ứng dụng tiềm năng là mã hóa·giải mã cơ học ba chiều
  • Một cấu hình khối chức năng cụ thể có thể hoạt động như một mật khẩu 3D
• Ngay cả trong khung nhị phân, khi các khối chỉ có trạng thái lên hoặc xuống, một siêu cấu trúc đơn giản gồm 9 khối chức năng vẫn có hơn 362.000 cấu hình khả dĩ
• Siêu cấu trúc này cũng có thể được dùng cho hệ thống xúc giác hiển thị thông tin trong bối cảnh ba chiều thay vì bằng các pixel trên màn hình
• Bài báo “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” đã được đăng trên tạp chí truy cập mở Science Advances
• Nền tảng này có thể hoạt động như các đơn vị nhị phân hoặc voxel bật lên phục vụ ghi, xóa, đọc, mã hóa thông tin và điện toán logic cơ học; khi giải phóng trạng thái tiền kéo căng, có thể ổn định thông tin để chống lại các nhiễu loạn cơ học·từ tính từ bên ngoài

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Họ đã thực sự tạo được dù chỉ một cổng logic hoạt động chưa? Trong video chỉ thấy cảnh lật bit qua lại bằng thao tác trực tiếp
  Sửa: đọc bài báo thì có vẻ là đúng. “Cuối cùng, chúng tôi khảo sát siêu cấu trúc này như các cổng logic cơ học đơn giản. Hình 8(C, D) cho thấy việc khai thác tính lưỡng ổn định độc lập của các phần tử cục bộ để thực hiện hoạt động của các cổng logic ‘OR’ và ‘AND’”

  • Có trong toàn bộ bài báo. Không phải mã nguồn mở, và hình như cũng chưa được đưa lên archive
    Trong mục “Mechanical logic gates”, họ mô tả đã triển khai cổng OR/AND. Để đọc đầu ra, họ đặt một tấm phẳng có thể điều chỉnh độ cao phủ lên một vùng nhỏ trên nền, và nếu tấm phẳng được nâng lên nằm ngang thì đọc là “1”, còn nếu nghiêng hoặc hạ xuống thì đọc là “0”
    Với OR, sau khi nâng và cố định P1, nếu S1 hoặc S2 được nâng lên thì sẽ tạo ra một tấm phẳng ngang ổn định và thành “1”; với AND, chỉ khi P1=P2=P3=1 thì tấm mới ổn định ở vị trí nâng lên nhờ tiếp xúc ba điểm và thành “1”. So với các siêu cấu trúc logic cơ học trước đây chủ yếu dừng ở 1D/2D, thiết kế này đã mở rộng sang cấu trúc 3D, và họ nói NOR/NAND cũng có thể được thực hiện bằng cách thay đổi các phần tử cấu trúc
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
  • Tôi nhớ là để làm nền tảng có thể xây dựng mọi mạch thì cần cổng NAND. Vì vậy nếu thêm bộ đảo thì về mặt tiềm năng có thể tiến gần đến tính đầy đủ Turing

• “Công việc chứng minh khái niệm tập trung vào khả năng tính toán nhị phân, nơi các khối lập phương bị đẩy lên hoặc đẩy xuống. Nhưng chúng tôi cho rằng cũng có khả năng tính toán phức tạp hơn, trong đó dữ liệu được truyền bằng mức độ cao mà một khối cụ thể bị đẩy lên. Chúng tôi đã cho thấy các khối trong hệ này có thể có hơn năm trạng thái. Về mặt lý thuyết, điều đó có nghĩa là một khối không chỉ truyền 1 hoặc 0 mà còn có thể truyền 2, 3, 4.”
  Cái này là đang cố nằm giữa tính toán tương tự và tính toán số à? Chỉ nhìn phần mô tả thì nó nghe giống một hệ thống máy tính tương tự bị giới hạn

  • Số không đồng nghĩa với nhị phân. Hệ thống số chỉ cần có một số mức cố định, trái với hệ tương tự dùng giá trị liên tục. Hệ nhị phân dùng 1 và 0 chỉ là một ví dụ trong số đó
    Ngay cả trong các hệ thống số hiện đại cũng có nhiều cách không nhị phân. Ví dụ, QLC SSD dùng NAND flash lưu 16 mức trong mỗi ô để mã hóa tương đương 4 bit. Ngoài ra, 64-QAM là phương thức điều chế được dùng trong Wi‑Fi 802.11n hay truyền hình số mặt đất, trong đó hai sóng sin khác pha có thể mang tối đa 8 mức biên độ mỗi sóng
    Máy tính điện tử cũng không phải lúc nào cũng là nhị phân. Một trong những máy tính Liên Xô đời đầu dùng tam phân để thực hiện tính toán cốt lõi thay vì 2 chữ số quen thuộc
  • Ngay cả một số thiết bị lưu trữ số hiện có cũng dùng đa mức vượt quá 0 và 1 để tăng mật độ. Ví dụ, bộ đồng xử lý dấu phẩy động 8087 lưu vi mã trong ROM 4 mức, chứa 2 bit trên mỗi transistor, vì ROM thông thường sẽ quá lớn trên die
    Bộ nhớ flash cũng dùng các ô đa mức lưu tối đa 4 bit trên mỗi ô

• “Máy tính cơ học là máy tính hoạt động bằng các bộ phận cơ khí thay vì linh kiện điện tử.”
  Với những người hào hứng về máy tính cơ học, có lẽ nên nhớ rằng electron nhẹ hơn nucleon khoảng một nghìn lần. Vì vậy, máy tính cơ học về cơ bản phải di chuyển nguyên tử để hoạt động, nên nhiều khả năng sẽ luôn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn máy tính điện tử

  • Nếu đẩy lập luận đó đến cùng thì điện toán quang tử hẳn phải hiệu quả hơn điện toán điện tử rất nhiều. Có lẽ một ngày nào đó sẽ như vậy
    Có phải đó là mục tiêu cuối cùng không? Về mặt lý thuyết, có thứ gì có thể tiến gần giới hạn Landauer hơn điện toán quang tử không? Đây không phải chuyên môn của tôi nhưng có vẻ là câu hỏi hợp để hỏi ở đây
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
  • Dù không hiệu quả hơn thì có thể nó sẽ chống chịu bão điện từ tốt hơn, và ít dễ bị quá nhiệt hơn. Có thể đây là hướng nhắm đến các môi trường nhiều ràng buộc
  • Chẳng phải điều đó còn phụ thuộc vào tỷ lệ giữa năng lượng dùng cho tính toán và năng lượng dùng để lấy cũng như lưu trữ các bit liên quan sao? Nếu yêu cầu là tính toán rất chậm và lưu trữ cực kỳ dài hạn, thì tính toán cơ học có thể có lợi thế về mặt lý thuyết
    Tuy vậy, nhìn vào GA144 của Chuck Moore thì ngay cả trong những tình huống cực đoan như thế vẫn còn khá nhiều dư địa để tối ưu hóa tính toán dựa trên điện tử
    [0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
  • Đúng, nhưng thường cũng phải xem một tín hiệu đơn lẻ thực sự làm di chuyển bao nhiêu electron

• Nếu trở thành tỷ phú, tôi muốn có một căn phòng lớn trong nhà chỉ dành cho máy tính tiền điện tử. Thật đáng kinh ngạc khi bao nhiêu thứ đã trở nên gần như tầm thường sau khi transistor trở nên phổ biến, và những thứ như The Writer Automaton lúc nào cũng cực kỳ cuốn hút với tôi

  • Nếu có nhiều tiền, tôi sẵn sàng bỏ tiền ra cho điều đó. Đổi lại, hãy xây cho tôi một căn phòng như vậy, nơi tôi có thể nghịch mọi chiếc máy tính cho đến khi hiểu cách chúng hoạt động
    Tôi học kỹ thuật cơ khí và giờ làm ở lĩnh vực khác, nhưng ngoài việc hiểu tầm quan trọng xã hội của chúng, tôi luôn bị mê hoặc bởi cách thao tác các nguyên lý cơ khí để đạt được mục tiêu

• Có thể dùng cái này vào đâu? Môi trường bức xạ cao hay các môi trường cực hạn khác?

  • Trên Sao Kim, khí quyển ăn mòn thiết bị điện tử nhanh đến mức khó tin. Vì thế đây là môi trường cực kỳ khắc nghiệt cho tàu thăm dò
    Một giải pháp cơ học có thể khiến tính dẫn điện không còn là điều kiện bắt buộc, nên linh kiện có thể bền hơn
  • Cách tiếp cận tương tự có vẻ có thể hữu ích cho hệ vi cơ điện tử
    https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS

• Có trường hợp nào xã hội được khởi động lại, từ “tính toán cơ học” đến mức các chip lại hoạt động được, hay không? Nếu giả sử một sự kiện điện từ ở quy mô hành tinh làm hỏng mọi hoạt động tính toán, thì làm sao có thể đưa các nhà máy như TSMC trở lại vận hành bình thường? Làm sao duy trì sản xuất lương thực?
  Liệu chỉ với những máy tính cơ học như thế này và các chỉ dẫn cơ bản, có thể phục hồi từ trạng thái số 0 hay không?

  • Tôi không chắc xã hội có thể phục hồi sau sụp đổ hay không. Những tài nguyên dễ khai thác đã được lấy gần hết rồi, còn các tài nguyên còn lại thì đang được khai thác và tinh chế bằng công nghệ rất cao cấp.
    Dù có thể tái chế được nhiều thứ, vẫn sẽ có giới hạn. Hơn nữa, phần lớn tri thức hiện được lưu trữ dưới dạng số, và một phần đáng kể trong đó ở các định dạng độc quyền. Nếu không thể phục hồi bằng cách nào đó trước khi chuyên môn hiện có biến mất, thì có thể chúng ta sẽ không lấy lại được trong một thời gian rất dài, hoặc thậm chí là vĩnh viễn
  • Tôi không rõ “đã thử với xã hội” nghĩa là gì. Nếu là mô phỏng hay thí nghiệm tư duy thì chắc chắn đã có nhiều, với mức độ chặt chẽ khác nhau. Còn nếu hỏi có làm thí nghiệm thực tế hay chưa thì có lẽ là chưa.
    Dù sao thì tôi cho rằng các thí nghiệm kiểu “hãy thử xây dựng một xã hội” nhìn chung là bất khả thi. Dù có làm rất nghiêm túc thì chiến lược đó vẫn ưu ái những phương án có kỳ vọng dương nhưng xác suất thất bại cao đến mức khó chấp nhận. Vì biết rằng ngay cả khi thất bại trong thực nghiệm, ta vẫn có thể quay lại thực tại và vào bệnh viện, nên người ta có thể chấp nhận cả rủi ro như có 5% khả năng nhiễm bệnh rồi chết. Một lần thì có thể 95% sẽ ổn, nhưng nếu tung xúc xắc đó qua nhiều thế hệ thì sớm muộn cũng sẽ có thất bại chí mạng
  • Babbage đã đi nhầm vào một ngõ cụt. Chỉ với công nghệ của thập niên 1860 thôi cũng đã có thể tạo ra máy tính tự động có thể lập trình.
    Nếu có thể làm hoặc thu hồi dây kim loại, và chế tạo được những chi tiết kim loại tấm đơn giản như đồng thau, thì có thể làm nam châm điện. Làm được nam châm điện thì có thể làm relay, và như vậy là đủ. Có thể sẽ không stream đa phương tiện được, nhưng điều khiển tự động và liên lạc đường dài thì hoàn toàn khả thi
  • Kịch bản “một sự kiện điện từ quy mô hành tinh làm hỏng mọi hoạt động tính toán” là điều bất khả thi. Ở đâu đó sẽ luôn còn lại những máy tính vẫn hoạt động. Chúng có thể được che chắn, nằm ngoài phạm vi thảm họa, hoặc đơn giản là gặp may.
    Tuy nhiên, đó có thể không phải là những thứ dễ tiếp cận, và nếu thứ bạn tìm thấy chỉ là một nền tảng thực thi tin cậy kiểu iPhone thì tình hình cũng sẽ khá bế tắc
  • Tôi nhớ đến CollapseOS [1]. Tuy nhiên, nó có vẻ gần với việc bootstrap các chip đơn giản để điều khiển điện năng hơn là khởi động lại cả xã hội, dù cũng có thể xem hai việc đó đi cùng nhau.
    [1] http://collapseos.org/

• Có thể là câu hỏi ngớ ngẩn, nhưng liệu loại máy tính này có phù hợp với các môi trường khắc nghiệt như xe tự hành thám hiểm sao Kim không?

  • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Automaton_Rover_for_Extreme_... Đã có một nghiên cứu thiết kế của NASA xem xét chính câu hỏi đó trong bối cảnh máy tính cơ học.
    Tôi khá thích ý tưởng gửi dữ liệu ngược trở lại bằng gương phản xạ ngược quay được đọc bằng laser từ quỹ đạo

• Đây là liên kết tới bài báo. Hơi tiếc vì không phải mã nguồn mở.
  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476

• Gợi tôi nhớ đôi chút đến QAM

• Cảm giác như The Diamond Age của Neal Stephenson đã thành hiện thực