Kỷ nguyên máy tính sinh học: Khi nấm hương trong bếp trở thành linh kiện điện tử thay thế chip silicon đắt đỏ

[therealrtz]

Trong suốt nhiều thập kỷ, ngành công nghiệp máy tính toàn cầu đã được xây dựng trên nền tảng của silicon. Tuy nhiên, khi nhu cầu về sức mạnh tính toán ngày càng tăng và các lo ngại về môi trường trở nên cấp bách, các nhà khoa học đang tìm kiếm những giải pháp thay thế táo bạo từ chính thế giới tự nhiên. Một nghiên cứu đột phá mới đây được công bố trên tạp chí PLOS One đã chứng minh rằng: nấm, loài thực vật khiêm tốn trong rừng, có thể là chìa khóa cho thế hệ máy tính tiếp theo.

Từ bàn ăn đến bo mạch điện tử

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Ohio (Mỹ) đã thực hiện một thí nghiệm nghe có vẻ điên rồ: biến nấm hương (shiitake) và nấm mỡ - những nguyên liệu quen thuộc trong nhà bếp - thành các linh kiện điện tử cao cấp. Cụ thể, họ đã chứng minh được rằng hệ thống nấm có thể hoạt động như các "memristor" hữu cơ.

Trong kỹ thuật máy tính, memristor (viết tắt của memory resistor - điện trở bộ nhớ) là linh kiện có khả năng ghi nhớ các tín hiệu điện đã đi qua nó, ngay cả khi nguồn điện bị ngắt. Đây là yếu tố cốt lõi để xây dựng các hệ thống lưu trữ và xử lý thông tin.

Quy trình tạo ra "chip nấm" này bắt đầu bằng việc nuôi cấy các mẫu nấm hương và nấm mỡ. Sau khi chúng trưởng thành, các nhà khoa học tiến hành làm mất nước (sấy khô) để đảm bảo cấu trúc của nấm được ổn định lâu dài. Sau đó, họ gắn các đầu dò và dây dẫn vào các điểm khác nhau trên thân nấm để tạo thành mạch điện.

John LaRocco, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: "Chúng tôi kết nối dây điện tại các điểm khác nhau vì mỗi phần của cây nấm có đặc tính điện học riêng biệt. Tùy thuộc vào điện áp và cách kết nối, chúng tôi nhận được các hiệu suất hoạt động khác nhau".

Hiệu suất ấn tượng của "bộ não" nấm

Kết quả thu được sau hai tháng thử nghiệm đã khiến giới khoa học kinh ngạc. Khi được sử dụng với vai trò như RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên), các memristor làm từ nấm có thể chuyển đổi trạng thái điện với tốc độ lên tới 5.850 tín hiệu mỗi giây. Độ chính xác của quá trình này đạt khoảng 90%, một con số rất khả quan đối với vật liệu hữu cơ.

Điều thú vị hơn cả là cơ chế hoạt động của hệ thống này có nét tương đồng với bộ não con người. Nhóm nghiên cứu nhận thấy hiệu suất của nấm bị giảm khi tần số điện áp tăng quá cao. Tuy nhiên, giống như cách các nơ-ron thần kinh liên kết với nhau để tăng cường khả năng xử lý, các nhà khoa học chỉ cần kết nối thêm nhiều nấm vào mạch điện là có thể khắc phục được vấn đề này.

"Khả năng phát triển các vi mạch mô phỏng hoạt động thần kinh thực tế đồng nghĩa với việc thiết bị không tiêu tốn nhiều năng lượng ở chế độ chờ. Đó là một lợi thế kinh tế và tính toán khổng lồ", LaRocco nhận định.
Giải pháp xanh cho cơn khát công nghệ

Sự ra đời của máy tính nấm không chỉ là một bước tiến về kỹ thuật mà còn là một lời giải cho bài toán môi trường hóc búa. Ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay đang phụ thuộc nặng nề vào các khoáng sản đất hiếm - nguồn tài nguyên hữu hạn và có quy trình khai thác gây ô nhiễm nghiêm trọng. Bên cạnh đó, rác thải điện tử từ các chip silicon hỏng đang là gánh nặng cho toàn cầu.

Ngược lại, nấm là vật liệu có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn. Chúng dễ trồng, rẻ tiền và không đòi hỏi các nhà máy tỷ đô hay các trung tâm dữ liệu ngốn điện khổng lồ để sản xuất.

Qudsia Tahmina, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Bang Ohio, đồng tác giả nghiên cứu, nhấn mạnh: "Xã hội ngày càng nhận thức rõ về nhu cầu bảo vệ môi trường. Đó chính là động lực thúc đẩy những ý tưởng thân thiện sinh học như thế này. Công nghệ hoàn toàn có thể tiến bộ vượt bậc khi dựa vào thế giới tự nhiên".

Tương lai của điện toán nấm

Mặc dù kết quả ban đầu rất hứa hẹn, các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn sơ khai. Thách thức lớn nhất hiện nay là kích thước. Để có thể thương mại hóa và thay thế chip silicon trong các thiết bị hiện đại, các memristor nấm cần phải được thu nhỏ lại gấp nhiều lần.

Tuy nhiên, tiềm năng ứng dụng của nó là vô tận. Các hệ thống nấm quy mô lớn có thể được sử dụng trong lĩnh vực điện toán biên (edge computing) hoặc thám hiểm vũ trụ, nơi việc tự sản xuất và tái chế linh kiện là yếu tố sống còn. Trong khi đó, các phiên bản nhỏ hơn có thể tích hợp vào thiết bị đeo thông minh hoặc hệ thống tự hành.

John LaRocco kết luận đầy lạc quan: "Mọi thứ bạn cần để bắt đầu khám phá máy tính nấm có thể chỉ nhỏ gọn như một đống phân ủ sau vườn với vài linh kiện tự chế, hoặc lớn như một nhà máy nuôi cấy quy mô công nghiệp. Tất cả đều khả thi với những nguồn lực chúng ta đang có ngay trước mắt".

Có lẽ trong tương lai không xa, khi máy tính của bạn bị hỏng, thay vì vứt nó ra bãi rác, bạn chỉ cần chôn nó xuống vườn và để thiên nhiên làm nốt phần việc còn lại.