A Stanford si sperimenta il processore idraulico che elabora informazione e manipola i fluidi

Manu Prakash, assistente professore di bioingegneria a Stanford, è riuscito a concretizzare un'idea che lo accompagna da una decina d'anni: realizzare un sistema di computazione basato sulla fisica dei fluidi. Una sorta di "computer idraulico" che può, almeno in linea teorica, compiere qualsiasi operazione alla portata di un computer elettronico convenzionale, sebbene a velocità sensibilmente inferiori.

L'ambizione di Prakask e dei ricercatori che hanno lavorato con lui è però di altra portata: "Abbiamo già i computer digitali che processano informazioni. L'obiettivo non è competere con essi ma costruire una nuova classe di elaboratori che siano in grado di controllare e manipolare con precisione la materia fisica. Immaginiamo che al momento di eseguire una serie di calcoli non venga solo elaborata l'informazione ma anche la materia fisica. Abbiamo reso possibile tutto ciò a livello di mesoscala".

Dicevamo di un'idea nata una decina d'anni fa: Prakash ha cercato di immaginarsi come impiegare piccole goccioline di un fluido come bit di informazione e di sfruttare i movimenti di queste goccioline per processare l'informazione e manipolare la materia fisica. Serviva innanzitutto un clock.

Nell'architettura di un elaboratore il clock è quell'elemento responsabile della sincronia delle operazioni. Qualsiasi programma richiede l'esecuzione di svariate operazioni che devono essere condotte in maniera simultanea e passo-passo. La presenza di un clock assicura che queste operazioni inizino e finiscano allo stesso momento, garantendo la sincronia. "La ragione per la quale i computer operano con precisione è che ogni operazione avviene in maniera sincrona. E' ciò che rende la logica digitale così potente".

Lo sviluppo di un clock per un elaboratore basato su fluidi richiede però un po' di pensiero creativo. Facilità di gestione, capacità di interagire con un ampio numero di goccioline e scalabilità sono le caratteristiche chiave di un dispositivo del genere. L'intuizione è stata quella di usare un campo magnetico rotante che possa fungere da clock per sincronizzare i movimenti delle goccioline.

I ricercatori hanno quindi disposto su un vetrino una serie di barre di ferro a formare una sorta di griglia che rievoca, nell'aspetto, il labirinto di uno schema di Pac-Man. Un altro vetrino è stato collocato alla sommità della griglia ed interposto tra essi uno strato di olio. All'interno sono quindi state iniettate con accuratezza delle goccioline di ferrofluido. Ad ogni oscillazione del campo magnetico la polarità delle barre viene invertita, trascinando le goccioline in una direzione predeterminata. Ogni rotazione del campo costituisce un ciclo di clock. La presenza o l'assenza delle goccioline rappresenta gli elementi "0" e "1" del codice binario e il clock assicura che tutte le goccioline si muovano in perfetta sincronia.

I ricercatori hanno pubblicato su Nature Physics i risultati del progetto, descrivendo i building block per i gate logici sincroni, per le strutture di feedback e per la cascabilità, tutti tratti distintivi della computazione scalabile. Nella pubblicazione è stato inoltre descritto un dispositivo flip-flop usando i building block di base appena descritti. "Con queste regole abbiamo dimostrato la possibilità di realizzare tutti i gate logici che vengono usati nell'elettronica, semplicemente modificando la disposizione delle barre. Possiamo costruire qualsiasi circuito booleano con queste piccole goccioline in movimento" ha osservato Georgios Katsikis, ricercatore che ha collaborato con Prakash e primo autore della pubblicazione.

Gli esemplari creati fino ad ora hanno dimensioni di poco inferiori a quelle di un francobollo con le goccioline che sono più piccole dei semi di papavero. Il sistema potrebbe essere realizzato anche a più piccole dimensioni il che, unitamente alla possibilità di controllare milioni di goccioline simultaneamente grazie al campo magnetico, lo rende estremamente scalabile: "Possiamo farlo più piccolo, così da poter lavorare con goccioline più piccole e fare più operazioni per chip. Questo porta ad un'ampia possibilità di applicazioni".

L'applicazione più immediata potrebbe essere la trasformazione di questo sistema in una sorta di laboratorio di chimica e biologia ad elevato throughput. Invece di sperimentare reazioni con beute, becher e matracci, ciascuna goccia potrebbe essere portatrice di una sostanza chimica con la quale è possibile condurre e studiare interazioni con un controllo senza precedenti.

La robustezza del sistema e l'universalità delle regole di progettazione su cui esso si basa permetterà a Prakash di realizzare presto uno strumento di progettazione per chiunque voglia costruire circuiti con i building block di base: "Siamo molto interessati a coinvolgere chiunque voglia provare e permettere a chiunque di progettare nuovi circuiti basati sui mattoncini che abbiamo descritto o scoprirne di nuovi. Adesso è possibile combinare questi circuiti per formare un processore di goccioline senza controllo esterno, una cosa che in precedenza era estremamente difficile da realizzare" ha concluso Prakash.