- Des chercheurs de NC State ont développé un ordinateur mécanique basé sur le kirigami capable de stocker, récupérer et effacer des données uniquement à l’aide de cubes polymères connectés, sans aucun composant électronique
- L’unité de base est une unité fonctionnelle composée de 64 cubes en plastique de 1 cm, dont l’état global et la structure géométrique changent lorsqu’on pousse les cubes vers le haut ou vers le bas, comme des 1 et des 0
- L’édition des données est possible en tirant sur le bord de la métastructure pour étirer un ruban élastique ; lorsqu’on le relâche, le ruban se rétracte et verrouille les cubes ainsi que les données
- Même une métastructure simple de 9 unités fonctionnelles peut produire plus de 362 000 configurations en mode binaire, et des configurations multi-états avec des cubes empilés jusqu’à une hauteur de 5 ont aussi été démontrées
- Cette structure pourrait être étendue au chiffrement/déchiffrement mécanique, à des systèmes haptiques affichant des informations en trois dimensions, et à des modes de codage allant au-delà du binaire
Mémoire mécanique sans composants électroniques
- Des chercheurs de NC State ont développé un ordinateur mécanique inspiré du kirigami capable de stocker, récupérer et effacer des données sans dépendre de composants électroniques
- Le système utilise une structure complexe de cubes polymères rigides et interconnectés
- Les utilisateurs peuvent basculer entre un état dans lequel les données peuvent être modifiées et un état dans lequel elles sont verrouillées en place
- Un ordinateur mécanique fonctionne avec des pièces mécaniques plutôt qu’avec des composants électroniques ; historiquement, il utilisait des éléments comme des leviers ou des engrenages
- Ce système exploite des structures multistables, capables de posséder plus de deux états stables
Comment les cubes kirigami changent d’état
- L’unité de base est un cube en plastique de 1 cm, et 64 cubes connectés forment une unité fonctionnelle
- La conception de l’unité fonctionnelle est issue du kirigami, l’art de découper et plier le papier, dont le principe a été appliqué à un matériau tridimensionnel découpé en cubes connectés
- Si l’on pousse un cube vers le haut ou vers le bas, la structure géométrique ou l’architecture de l’ensemble des cubes connectés change aussi
- On peut pousser ou abaisser physiquement un cube directement
- Il est aussi possible de fixer une plaque magnétique sur l’unité fonctionnelle et d’appliquer un champ magnétique pour la déplacer à distance
- En assemblant les unités fonctionnelles de 64 cubes en une métastructure plus complexe, on peut stocker davantage de données ou effectuer des calculs plus complexes
Mécanisme d’écriture, de verrouillage et d’effacement
- Les cubes sont reliés par un fin ruban élastique
- Pour modifier les données, il faut changer la configuration de l’unité fonctionnelle, et l’utilisateur tire sur le bord de la métastructure pour étirer le ruban élastique
- Lorsque le ruban est tendu, il devient possible de pousser les cubes vers le haut ou vers le bas
- Quand on relâche la métastructure, le ruban se rétracte et fixe les cubes ainsi que les données
- Une vidéo de l’ordinateur mécanique est disponible ici : https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM
Représenter l’information au-delà du binaire
- Les travaux de preuve de concept se concentrent sur un calcul binaire dans lequel un cube relevé ou abaissé correspond à 1 ou 0
- Un calcul plus complexe est aussi possible si l’on utilise comme donnée la hauteur à laquelle un cube est relevé
- Dans le système de preuve de concept, un cube peut avoir au moins 5 états
- En théorie, un cube unique pourrait transmettre non seulement 1 ou 0, mais aussi 2, 3 et 4
- Chaque unité fonctionnelle de 64 cubes peut être configurée selon différentes architectures où les cubes s’empilent jusqu’à une hauteur maximale de 5
- En revanche, le code exploitant cette architecture n’a pas encore été développé, et l’équipe de recherche souhaite collaborer pour explorer le potentiel de codage de la métastructure
Possibilités d’extension vers le chiffrement et les systèmes haptiques
- Une application potentielle est le chiffrement/déchiffrement mécanique en trois dimensions
- Une configuration spécifique d’unités fonctionnelles pourrait agir comme un mot de passe 3D
- Même dans un cadre binaire où les cubes n’ont que les états haut ou bas, une métastructure simple composée de 9 unités fonctionnelles offre plus de 362 000 configurations possibles
- Cette métastructure pourrait aussi servir à des systèmes haptiques affichant des informations dans un contexte tridimensionnel, plutôt qu’avec des pixels sur un écran
- L’article “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” a été publié dans la revue en open access Science Advances
- Cette plateforme peut fonctionner comme des unités binaires ou des voxels surgissants pour l’écriture, l’effacement, la lecture, le chiffrement et le calcul logique mécanique ; en relâchant l’état de précontrainte, il devient possible de stabiliser l’information pour résister aux perturbations mécaniques et magnétiques externes
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
Est-ce qu’ils ont réellement fabriqué ne serait-ce qu’une porte logique fonctionnelle ? Dans la vidéo, on voit seulement des bits basculés d’avant en arrière par manipulation directe
Édit : après lecture de l’article, ça semble bien être le cas. « Enfin, nous explorons cette métastructure comme une simple porte logique mécanique. Les figures 8(C, D) montrent que des opérations de portes logiques “OR” et “AND” ont été réalisées en exploitant la bistabilité indépendante d’éléments locaux »
Dans la section « Mechanical logic gates », ils expliquent avoir implémenté des portes OR/AND. Pour lire la sortie, ils recouvrent une petite zone de la plateforme avec une plaque plane réglable en hauteur ; si la plaque reste horizontale et surélevée, on lit « 1 », si elle penche ou descend, on lit « 0 »
Pour OR, ils relèvent et fixent P1, puis si S1 ou S2 se relève, cela crée une plaque horizontale stable, donc « 1 ». Pour AND, la plaque ne se stabilise en position haute avec un contact en trois points, donc « 1 », que lorsque P1=P2=P3=1. Alors que les métastructures logiques mécaniques existantes restaient surtout limitées à la 1D/2D, cette conception l’étend à une structure 3D, et ils disent aussi que NOR/NAND pourraient être obtenues en modifiant les éléments structurels
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
« Le travail de preuve de concept s’est concentré sur une capacité de calcul binaire où les cubes sont poussés vers le haut ou vers le bas. Mais il pourrait aussi exister des possibilités de calcul plus complexes où les données seraient transmises par la hauteur à laquelle un cube donné est poussé. Nous avons montré qu’au sein de ce système, un cube peut avoir plus de cinq états. En théorie, cela signifie qu’un cube pourrait transmettre non seulement 1 ou 0, mais aussi 2, 3 et 4. »
Est-ce que ça cherche à se situer entre calcul analogique et calcul numérique ? À la lecture, ça ressemble à un système d’ordinateur analogique limité
Même dans les systèmes numériques modernes, il existe beaucoup d’approches non binaires. Par exemple, les SSD QLC en NAND flash stockent 16 niveaux par cellule, ce qui encode l’équivalent de 4 bits. De même, le 64-QAM est une méthode de modulation utilisée dans le Wi-Fi 802.11n ou la télévision numérique terrestre, où deux ondes sinusoïdales de phases différentes peuvent chacune prendre jusqu’à 8 niveaux d’amplitude
Les ordinateurs électroniques n’ont d’ailleurs pas toujours été binaires. L’un des premiers ordinateurs soviétiques effectuait ses calculs principaux en ternaire plutôt qu’avec les deux chiffres habituels
La mémoire flash aussi utilise des cellules à niveaux multiples qui peuvent stocker jusqu’à 4 bits par cellule
« Un ordinateur mécanique est un ordinateur qui fonctionne avec des composants mécaniques plutôt qu’électroniques. »
Pour ceux que les ordinateurs mécaniques enthousiasment, il vaut la peine de se rappeler qu’un électron est environ mille fois plus léger qu’un nucléon. Donc un ordinateur mécanique devra fondamentalement déplacer des atomes pour fonctionner, et aura donc probablement toujours besoin de plus d’énergie qu’un ordinateur électronique
Est-ce là l’objectif final ? En théorie, existe-t-il quelque chose qui pourrait se rapprocher davantage de la limite de Landauer que le calcul photonique ? Ce n’est pas mon domaine, mais ça me semble être la bonne question à poser ici
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
Cela dit, quand on regarde le GA144 de Chuck Moore, on voit qu’il reste encore pas mal de marge pour optimiser le calcul électronique, même dans ce genre de scénarios extrêmes
[0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
Si je devenais milliardaire, j’aimerais avoir chez moi une grande pièce dédiée uniquement aux ordinateurs préélectriques. C’est fascinant de voir combien de choses sont devenues presque triviales après la généralisation du transistor, et des objets comme The Writer Automaton m’ont toujours énormément captivé
J’ai fait des études de génie mécanique et je travaille maintenant dans un autre domaine, mais indépendamment de leur importance sociale, j’ai toujours été fasciné par la manière dont on manipule des principes mécaniques pour atteindre un objectif
À quoi cela pourrait-il servir ? Des environnements à fort rayonnement ou d’autres conditions extrêmes ?
Une solution mécanique pourrait faire en sorte que la conductivité électrique ne soit plus une condition indispensable, ce qui permettrait peut-être aux composants de durer plus longtemps
https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS
Existe-t-il des exemples où l’on a rebootstrappé la société à partir de « calculs mécaniques » jusqu’à refaire fonctionner des puces ? Si un événement électromagnétique à l’échelle planétaire détruisait toute capacité de calcul, comment remettrait-on en service des usines comme celles de TSMC ? Comment maintiendrait-on la production alimentaire ?
Pourrait-on repartir de zéro avec seulement ce type d’ordinateur mécanique et quelques instructions de base ?
On pourrait certes beaucoup recycler, mais il y a des limites. En plus, l’essentiel des connaissances est stocké sous forme numérique, souvent dans des formats propriétaires. Si on n’arrive pas à restaurer tout cela avant la disparition des expertises existantes, on risque de ne pas les retrouver avant très longtemps, voire jamais.
De toute façon, je pense qu’une expérience du type « recréons une société » est en grande partie impossible. Même en y mettant beaucoup d’efforts, cela favorise des stratégies dont l’espérance est positive, mais avec une probabilité d’échec inacceptable. Si l’on sait qu’en cas d’échec on peut revenir au monde réel et aller à l’hôpital, on peut accepter un risque de 5 % de mourir d’une infection. Une fois, ça a 95 % de chances de bien se passer, mais si l’on relance les dés sur plusieurs générations, un échec catastrophique finit par arriver.
Si l’on peut fabriquer ou récupérer du fil métallique, et produire des pièces simples en tôle comme du laiton, on peut faire des électroaimants. Si l’on peut faire des électroaimants, on peut fabriquer des relais, et cela suffit. On ne fera pas de streaming multimédia, mais l’automatisation et la communication à distance deviennent possibles.
En revanche, ils ne seront pas forcément faciles d’accès, et si la seule chose qu’on retrouve est une plateforme d’exécution de confiance comme un iPhone, cela peut devenir assez désespérant.
[1] http://collapseos.org/
C’est peut-être une question idiote, mais est-ce que ce type d’ordinateur conviendrait à des environnements extrêmes comme un rover d’exploration de Vénus ?
J’aime beaucoup l’idée de renvoyer les données via des rétro-réflecteurs rotatifs lus par laser depuis l’orbite.
Voici le lien vers l’article. Dommage que ce ne soit pas open source.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
Ça fait un peu penser au QAM
On dirait une version devenue réelle de The Diamond Age de Neal Stephenson