電子機器の代わりにキリガミキューブで動作する機械式コンピューター
(news.ncsu.edu)- NC Stateの研究チームが、電子部品を使わず連結されたポリマーキューブだけでデータを保存・検索・削除できる、キリガミベースの機械式コンピューターを開発
- 基本単位は1cmのプラスチックキューブ64個で構成される機能ユニットで、キューブを上下に押して1と0のような状態や全体の幾何構造を変化させる
- データ編集はメタ構造の端を引いて弾性テープを伸ばした状態で可能で、手を離すとテープが縮んでキューブとデータが固定される
- 9個の機能ユニットからなる単純なメタ構造でも、二進法だけで36万2,000超の構成を作ることができ、キューブを最大5段の高さまで積む多状態構成も実証された
- この構造は機械式の暗号化・復号、3次元情報を表示するハプティックシステム、二進法を超えるコーディング方式へ拡張できる可能性がある
電子部品のない機械式メモリ
- NC Stateの研究チームは、電子部品に依存せずデータを保存・検索・削除できる、キリガミに着想を得た機械式コンピューターを開発した
- このシステムは、硬く相互接続されたポリマーキューブの複雑な構造を用いる
- ユーザーは、データを編集できる状態と、データを所定の位置に固定する状態を切り替えられる
- 機械式コンピューターは電子部品の代わりに機械部品で動作し、歴史的にはレバーやギアのような部品が使われてきた
- 今回のシステムは、2つ以上の安定状態を持てる多安定構造を活用している
キリガミキューブが状態を変える仕組み
- 基本単位は1cmサイズのプラスチックキューブで、64個の連結キューブが1つの機能ユニットを構成する
- 機能ユニットの設計は、紙を切って折る芸術であるキリガミに由来し、この原理を連結キューブからなる切れ目入りの3次元材料に適用している
- キューブ1個を上または下に押すと、連結されたすべてのキューブの幾何構造またはアーキテクチャが一緒に変化する
- キューブを直接物理的に押し上げたり押し下げたりできる
- 機能ユニットの上に磁性板を取り付け、磁場を加えて遠隔で動かすこともできる
- 64キューブの機能ユニットを、より複雑なメタ構造として束ねることで、より多くのデータを保存したり、より複雑な計算を実行したりできる
書き込み・ロック・削除のメカニズム
- キューブ同士は薄い弾性テープで接続されている
- データを編集するには機能ユニットの構成を変える必要があり、ユーザーはメタ構造の端を引いて弾性テープを伸ばす
- テープが伸びた状態では、キューブを上下に押せる
- メタ構造から手を離すと、テープが縮んでキューブとデータが固定される
- 機械式コンピューターの動画は https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM で見られる
二進法を超える情報表現
- 概念実証では、キューブが上に上がった状態または下に下がった状態を1または0とみなす二進コンピューティングに焦点を当てている
- キューブがどれだけ高く持ち上がっているかをデータとして使えば、より複雑なコンピューティングも可能になる
- 概念実証システムでは、キューブは5つ以上の状態を持てる
- 理論上は、単一のキューブが1や0だけでなく、2、3、4も表現できる
- 各64キューブ機能ユニットは、キューブが最大5段の高さまで積み上がるさまざまなアーキテクチャで構成できる
- ただし、このアーキテクチャを活用するコードはまだ開発されておらず、研究チームはメタ構造のコーディング可能性を探る協力に関心を示している
暗号化・ハプティックシステムへの拡張可能性
- 潜在的な応用の1つは、3次元の機械式暗号化・復号である
- 特定の機能ユニット構成が、3Dパスワードのように機能する可能性がある
- 二進フレームワークでキューブが上または下の状態しか持たない場合でも、9個の機能ユニットからなる単純なメタ構造は36万2,000超の可能な構成を持つ
- このメタ構造は、画面上のピクセルではなく3次元の文脈で情報を表示するハプティックシステムにも利用できる
- 論文 “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” は、オープンアクセス誌 Science Advances に掲載された
- このプラットフォームは、情報の書き込み、削除、読み出し、暗号化、機械論理コンピューティングのための二進単位またはポップアップボクセルとして動作でき、事前張力状態を解除すると外部の機械的・磁気的な擾乱に耐える情報安定化が可能になる
1件のコメント
Hacker News のコメント
実際に動く論理ゲートを1つでも作ったのだろうか？ 動画では、手で操作してビットを前後に反転させている様子しか見えない
追記：論文を見ると、そのようだ。「最後に、このメタ構造を単純な機械式論理ゲートとして検討する。図8（C、D）は、局所要素の独立した双安定性を利用して『OR』および『AND』論理ゲート動作を実装したことを示している」
「Mechanical logic gates」の節で、OR/ANDゲートを実装したと説明している。出力の読み取りには、高さ調整可能な平板をプラットフォーム上の小領域にかぶせ、平板が水平に上がっていれば「1」、傾くか下がっていれば「0」と読む方式
ORではP1を上げて固定したうえで、S1またはS2が上がると安定した水平な板ができて「1」になり、ANDではP1=P2=P3=1のときだけ三点接触で板が安定して上がり「1」になる。従来の機械式論理メタ構造が主に1D/2Dにとどまっていたのに対し、この設計は3D構造へ拡張しており、NOR/NANDも構造要素を変えれば実装可能だという
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
「概念実証では、キューブが上に押されるか下に押されるかという二値計算機能に焦点を当てた。しかし、特定のキューブがどれだけ高く押し上げられたかでデータを伝える、より複雑な計算の可能性もあると考えている。このシステム内で、キューブが5つ以上の状態を持てることを示した。理論的には、1つのキューブが1や0だけでなく、2、3、4も伝えられるということだ」
これはアナログ計算とデジタル計算の間を狙っているのだろうか？ 説明だけを見ると、制限付きのアナログコンピュータシステムのように聞こえる
現代のデジタルシステムにも非二進方式は多い。例えばNANDフラッシュのQLC SSDは、1セルに16段階のレベルを保存して4ビット相当をエンコードする。また64-QAMは802.11n Wi-Fiや地上波デジタルテレビなどで使われる変調方式で、位相の異なる2つの正弦波がそれぞれ最大8段階の振幅レベルを持てる
電子式コンピュータも常に二進だったわけではない。初期のソ連製コンピュータの1つは、おなじみの2つの数字ではなく三進を使って中核的な計算を行っていた
フラッシュメモリも、セルあたり最大4ビットまで格納する多値セルを使っている
「機械式コンピュータは、電子部品ではなく機械部品で動作するコンピュータだ」
機械式コンピュータに興奮している人たちは、電子が核子より約1000倍軽いことを思い出すとよい。だから機械式コンピュータは動作するには根本的に原子を動かさなければならず、電子式コンピュータより常に多くのエネルギーを使う可能性が高い
それが最終目標なのだろうか？ 理論上、フォトニックコンピューティングよりランダウアー限界に近づけるものはあるのだろうか？ 私の専門分野ではないが、ここで聞くにはよい質問だと思う
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
ただしChuck MooreのGA144を見ると、そうした極端な状況でも電子ベースの計算を最適化する余地はまだかなり残っている
[0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
億万長者になったら、家の中に電気以前のコンピュータだけのための大きな部屋を1つ作りたい。トランジスタが普及した後、どれほど多くのことがほとんど些細なものになったかには驚かされるし、The Writer Automatonのようなものはいつも非常に魅力的だった
機械工学を専攻し、今は別分野で働いているが、社会的重要性を理解することとは別に、目標を達成するために機械原理を操る方法にはずっと魅了されている
これは何に使えるだろう？ 高放射線環境やその他の極限環境？
機械式の解決策なら、電気伝導性が必須条件ではなくなる可能性があり、部品がより長く持ちこたえられるかもしれない
https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS
「機械式計算」から再び動作するチップまで、社会を再ブートストラップした事例はあるのだろうか？ 惑星規模の電磁気的イベントであらゆる計算が壊れたとしたら、TSMCのような工場をどうやって再び正常化するのか？ 食料生産はどう維持するのか？
こうした機械式コンピュータと基本的な指針だけで、ゼロの状態から復旧できるのだろうか
多くのものはリサイクルできるだろうが、限界がある。さらに知識の大半はデジタルで保存されていて、そのかなりの部分はプロプライエタリな形式だ。既存の専門性が失われる前に何とか復旧できなければ、非常に長い間、あるいは永遠に取り戻せないかもしれない
いずれにせよ「社会を作ってみよう」という実験は、概して不可能だと思う。本当に懸命にやっても、期待値はプラスだが失敗確率が受け入れがたいほど高い戦略が有利になる。実際に失敗しても現実に戻って病院に行けばいいと分かっているので、感染して死ぬ確率が5%ほどあるリスクでも取れてしまう。一度なら95%の確率でうまくいくだろうが、何世代にもわたってサイコロを振れば致命的な失敗が出る
針金を作る、または回収でき、真鍮のような単純な板金部品を作れるなら電磁石を作れる。電磁石を作れるならリレーを作れるし、それで十分だ。マルチメディアストリーミングは無理だろうが、自動制御と遠隔通信は可能だ
ただし、アクセスしやすい物とは限らないし、見つけたものがiPhoneのような信頼実行プラットフォームだけだったら、かなり途方に暮れるかもしれない
[1] http://collapseos.org/
愚かな質問かもしれないが、こういうコンピュータは金星探査ローバーのような過酷な環境に向いているのだろうか？
軌道上からレーザーで読み取る回転式再帰反射体でデータを送り返すというアイデアがかなり気に入っている
論文リンク。オープンソースではないのが惜しい
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
少しQAMを思い出す
Neal StephensonのThe Diamond Ageが現実になったような感じだ