बायोकंप्यूटिंग और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग अनुसंधान कंप्यूटर ऊर्जा दक्षता में सुधार की कुंजी हो सकते हैं। मानव मस्तिष्क जैसी प्रकृति की अपनी कुशल प्रणालियों से प्रेरणा लेकर, हम तेजी से बढ़ती डिजिटल दुनिया की ऊर्जा जरूरतों को पूरा करने में सक्षम हो सकते हैं।
जैसे-जैसे कंप्यूटर अधिक से अधिक बिजली की खपत करते हैं, वैज्ञानिक अधिक स्थिरता के लिए प्रेरणा के एक अप्रत्याशित स्रोत की ओर रुख कर रहे हैं: विनम्र जैविक कोशिका। यह दृष्टिकोण, जिसे बायोकंप्यूटिंग के रूप में जाना जाता है, कंप्यूटिंग के दौरान ऊर्जा की खपत को कम कर सकता है।
द कन्वर्सेशन में एक हालिया लेख इस अवधारणा पर प्रकाश डालता है, जो आधुनिक कंप्यूटिंग में सबसे गंभीर चुनौतियों में से एक को हल करने के लिए प्रकृति की अपनी कुशल प्रणालियों का लाभ उठाता है। डेटा सेंटर और घरेलू उपकरण वैश्विक बिजली की मांग का लगभग 3% हिस्सा हड़प रहे हैं, और कृत्रिम बुद्धिमत्ता उस संख्या को और भी अधिक बढ़ाने के लिए तैयार है, ऊर्जा-कुशल विकल्पों की आवश्यकता कभी अधिक नहीं रही है।
बायोकंप्यूटिंग की अवधारणा 1961 में आईबीएम वैज्ञानिक रॉल्फ लैंडौएर द्वारा प्रस्तावित एक सिद्धांत से उत्पन्न हुई थी। लैंडौएर सीमा बताती है कि एकल कम्प्यूटेशनल कार्य (जैसे कि बिट को 0 या 1 पर सेट करना) के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा खपत लगभग 10-²¹ जूल (जे) है। हालाँकि यह संख्या नगण्य लग सकती है, लेकिन यह तब महत्वपूर्ण हो जाती है जब आप कंप्यूटर द्वारा किए जाने वाले अरबों ऑपरेशनों पर विचार करते हैं।
सिद्धांत रूप में, लैंडौअर सीमा पर कंप्यूटर चलाने से कंप्यूटिंग बिजली की खपत और थर्मल प्रबंधन अप्रासंगिक हो जाएगा। हालाँकि, एक बड़ी समस्या है: दक्षता के इस स्तर को प्राप्त करने के लिए, संचालन असीम रूप से धीमा होना चाहिए। वास्तव में, तेज़ कंप्यूटिंग गति अनिवार्य रूप से ऊर्जा की खपत को बढ़ाएगी।
वर्तमान प्रोसेसर अरबों चक्र प्रति सेकंड की घड़ी की गति से चलते हैं और लगभग 10-¹¹J प्रति बिट की खपत करते हैं - जो लैंडौअर सीमा से लगभग 10 बिलियन गुना अधिक है। यह उच्च गति कंप्यूटर के क्रमिक रूप से काम करने और एक समय में एक ही ऑपरेशन करने का परिणाम है।
इस ऊर्जा पहेली को हल करने के लिए, शोधकर्ता बड़े पैमाने पर समानांतर प्रसंस्करण के आधार पर एक मौलिक रूप से भिन्न कंप्यूटर डिज़ाइन की खोज कर रहे हैं। यह दृष्टिकोण एकल उच्च गति वाले "खरगोश" प्रोसेसर पर निर्भर रहने के बजाय, अरबों धीमे "कछुआ" प्रोसेसर का उपयोग करने का सुझाव देता है, जिनमें से प्रत्येक को कार्य पूरा करने में केवल एक सेकंड लगता है। सिद्धांत रूप में, यह कंप्यूटरों को वर्तमान प्रणालियों की तुलना में कम परिमाण की ऊर्जा खपत के साथ, लैंडौअर सीमा के करीब संचालित करने की अनुमति दे सकता है।
वेब-आधारित बायोकंप्यूटिंग इस विचार का एक आशाजनक कार्यान्वयन है, जो जैविक मोटर प्रोटीन - प्रकृति की अपनी नैनोस्केल मशीनों की शक्ति का उपयोग करता है। इस प्रणाली में कम्प्यूटेशनल कार्यों को नैनोफैब्रिकेटेड भूलभुलैया चैनलों में एन्कोड करना शामिल है, जो आमतौर पर सिलिकॉन वेफर्स पर जमा पॉलिमर पैटर्न से बने होते हैं। मोटर प्रोटीन द्वारा संचालित जैविक तंतु एक साथ भूलभुलैया में सभी संभावित रास्तों का पता लगाते हैं।
प्रत्येक जैविक फिलामेंट, व्यास में केवल कुछ नैनोमीटर और लंबाई में लगभग एक माइक्रोन, भूलभुलैया में अपनी स्थानिक स्थिति के माध्यम से जानकारी को एन्कोड करता है, एक स्वतंत्र "कंप्यूटर" बन जाता है। यह संरचना संयोजनात्मक समस्याओं को हल करने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है जो सीरियल कंप्यूटर की कंप्यूटिंग शक्ति पर उच्च मांग रखती है।
प्रयोगों से पता चला है कि इस जैविक कंप्यूटर को इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसर की तुलना में प्रति गणना 1,000 से 10,000 गुना कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह दक्षता जैविक मोटर प्रोटीन के विकसित गुणों से उत्पन्न होती है, जो आवश्यक गति पर कार्य करने के लिए केवल आवश्यक ऊर्जा का उपयोग करती है - आमतौर पर प्रति सेकंड कुछ सौ कदम, एक ट्रांजिस्टर की तुलना में दस लाख गुना धीमी।
हाल ही में, इस क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। लुंड विश्वविद्यालय में नैनोफिजिक्स के प्रोफेसर और डायलॉग लेख के लेखक हेनर लिंके ने लैंडौअर सीमा के पास कंप्यूटर चलाने की संभावना को प्रदर्शित करने वाले 2023 पेपर के सह-लेखक भी हैं। यह सफलता हमें अल्ट्रा-लो-एनर्जी कंप्यूटिंग की क्षमता को साकार करने के करीब लाती है।
जबकि बायोकंप्यूटिंग की अवधारणा आशाजनक है, गति और कंप्यूटिंग शक्ति के मामले में इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए इन प्रणालियों को बढ़ाने में चुनौतियां बनी हुई हैं। शोधकर्ताओं को विभिन्न बाधाओं को दूर करना होगा, जैसे बायोफिलामेंट्स को सटीक रूप से नियंत्रित करना, त्रुटि दर को कम करना और इन प्रणालियों को वर्तमान तकनीक के साथ एकीकृत करना।
यदि इन बाधाओं को दूर किया जा सकता है, तो परिणामी प्रोसेसर नाटकीय रूप से कम ऊर्जा लागत पर कुछ प्रकार की चुनौतीपूर्ण कंप्यूटिंग समस्याओं को हल कर सकते हैं। इस सफलता का कंप्यूटिंग के भविष्य और पर्यावरण पर इसके प्रभाव पर गहरा प्रभाव पड़ सकता है।
एक अन्य दृष्टिकोण के रूप में, शोधकर्ता न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग की भी खोज कर रहे हैं, जो मानव मस्तिष्क की अत्यधिक परस्पर जुड़ी वास्तुकला का अनुकरण करने का प्रयास करता है। जबकि मस्तिष्क के बुनियादी भौतिक तत्व ट्रांजिस्टर की तुलना में स्वाभाविक रूप से अधिक ऊर्जा-कुशल नहीं हो सकते हैं, उनकी अनूठी संरचना और संचालन ऊर्जा-कुशल कंप्यूटिंग के लिए आकर्षक संभावनाएं प्रदान करते हैं।