इलेक्ट्रॉनिक डिवाइसों की जगह Kirigami cubes से चलने वाला mechanical computer

 (news.ncsu.edu)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-07-06 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • NC State के शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनिक components के बिना, सिर्फ जुड़े हुए polymer cubes से डेटा को store, retrieve और delete करने वाला Kirigami-आधारित mechanical computer विकसित किया है
  • इसकी बुनियादी unit 1cm के 64 plastic cubes से बनी एक functional unit है, जिसमें cubes को ऊपर-नीचे धकेलकर 1 और 0 जैसी states और पूरी geometry बदली जाती है
  • डेटा editing तब संभव होती है जब metastructure के किनारे को खींचकर elastic tape को तना हुआ रखा जाता है; छोड़ने पर tape सिकुड़कर cubes और डेटा को lock कर देती है
  • 9 functional units की एक साधारण metastructure भी सिर्फ binary तरीके से 362,000 से अधिक configurations बना सकती है, और cubes को अधिकतम 5 की ऊंचाई तक stack करने वाली multi-state configuration भी प्रदर्शित की गई है
  • इस संरचना में mechanical encryption/decryption, 3D जानकारी दिखाने वाले haptic systems, और binary से आगे के coding तरीकों तक विस्तार की संभावना है

इलेक्ट्रॉनिक components के बिना mechanical memory

  • NC State के शोधकर्ताओं ने एक Kirigami-inspired mechanical computer विकसित किया है, जो इलेक्ट्रॉनिक components पर निर्भर हुए बिना डेटा को store, retrieve और delete कर सकता है
  • यह system कठोर और आपस में जुड़े हुए polymer cubes की जटिल संरचना का उपयोग करता है
  • users डेटा-editable state और डेटा को अपनी जगह lock करने वाली state के बीच switch कर सकते हैं
  • mechanical computers इलेक्ट्रॉनिक components के बजाय mechanical parts से काम करते हैं, और ऐतिहासिक रूप से lever या gear जैसे parts का उपयोग करते रहे हैं
  • यह system दो या अधिक stable states रख सकने वाली multistable structures का उपयोग करता है

Kirigami cubes state कैसे बदलते हैं

  • बुनियादी unit 1cm आकार का plastic cube है, और 64 जुड़े हुए cubes मिलकर एक functional unit बनाते हैं
  • functional unit का design कागज को काटने और मोड़ने की कला Kirigami से शुरू हुआ, और इस सिद्धांत को जुड़े हुए cubes में कटी हुई 3D material पर लागू किया गया
  • किसी एक cube को ऊपर या नीचे धकेलने पर जुड़े हुए सभी cubes की geometry या architecture साथ में बदल जाती है
    • cube को सीधे physical तौर पर ऊपर या नीचे धकेला जा सकता है
    • functional unit के ऊपर magnetic plate लगाकर और magnetic field apply करके इसे remotely भी हिलाया जा सकता है
  • 64-cube functional units को अधिक जटिल metastructure में जोड़ने पर अधिक डेटा store किया जा सकता है या अधिक जटिल calculations की जा सकती हैं

write, lock और delete mechanism

  • cubes पतली elastic tape से जुड़े होते हैं
  • डेटा edit करने के लिए functional unit की configuration बदलनी होती है, और user metastructure के किनारे को खींचकर elastic tape को stretch करता है
  • tape stretch होने की state में cubes को ऊपर-नीचे धकेला जा सकता है
  • metastructure को छोड़ने पर tape सिकुड़ती है और cubes व डेटा fixed हो जाते हैं
  • mechanical computer का video https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM पर देखा जा सकता है

binary से आगे information representation

  • proof-of-concept work ने binary computing पर focus किया, जिसमें cube के ऊपर उठे या नीचे गए state को 1 या 0 माना जाता है
  • cube कितनी ऊंचाई तक उठा है, इसे डेटा के रूप में इस्तेमाल किया जाए तो अधिक जटिल computing भी संभव है
  • proof-of-concept system में cube 5 या उससे अधिक states रख सकता है
    • सैद्धांतिक रूप से एक single cube 1 या 0 के साथ-साथ 2, 3, 4 भी convey कर सकता है
  • हर 64-cube functional unit को ऐसी अलग-अलग architectures में configure किया जा सकता है, जहां cubes अधिकतम 5 की ऊंचाई तक stack होते हैं
  • हालांकि इस architecture का उपयोग करने वाला code अभी विकसित नहीं हुआ है, और शोधकर्ता metastructure की coding possibilities तलाशने के लिए collaboration में रुचि रखते हैं

encryption और haptic systems तक विस्तार की संभावना

  • एक संभावित application 3D mechanical encryption/decryption है
    • functional unit की कोई खास configuration 3D password की तरह काम कर सकती है
  • binary framework में cubes के पास सिर्फ ऊपर या नीचे states हों, तब भी 9 functional units वाली साधारण metastructure में 362,000 से अधिक संभावित configurations होती हैं
  • यह metastructure screen pixels के बजाय 3D context में जानकारी दिखाने वाले haptic systems में भी इस्तेमाल हो सकती है
  • पेपर “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” open-access journal Science Advances में प्रकाशित हुआ है
  • यह platform information writing, deleting, reading, encryption और mechanical logic computing के लिए binary units या pop-up voxels के रूप में काम कर सकता है, और pre-tensioned state को release करने पर बाहरी mechanical और magnetic disturbances के खिलाफ information stabilization संभव करता है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-07-06
Hacker News की राय

  • क्या इन्होंने सच में काम करने वाला एक भी logic gate बनाया है? वीडियो में तो बस सीधे हाथ से bits को आगे-पीछे flip करते हुए दिख रहा है
    सुधार: पेपर देखने पर लगता है कि हाँ। “अंत में, हम इस metastructure को एक सरल mechanical logic gate के रूप में explore करते हैं। चित्र 8(C, D) दिखाता है कि local elements की स्वतंत्र bistability का उपयोग करके ‘OR’ और ‘AND’ logic gate operation लागू किया गया है”

    • पूरा पेपर में यह है। open source नहीं है, और लगता है अभी archive पर भी नहीं आया है
      “Mechanical logic gates” section में बताया गया है कि OR/AND gates implement किए गए हैं। output पढ़ने के लिए platform पर एक छोटे area के ऊपर height-adjustable flat plate रखा जाता है; plate अगर horizontal ऊपर उठा हो तो “1”, और tilted या नीचे हो तो “0” पढ़ा जाता है
      OR में P1 को ऊपर उठाकर fix करने के बाद S1 या S2 ऊपर आए तो stable horizontal plate बनती है और “1” हो जाता है। AND में केवल P1=P2=P3=1 होने पर ही तीन-point contact से plate stable तरीके से ऊपर उठकर “1” बनता है। मौजूदा mechanical logic metastructures ज़्यादातर 1D/2D तक सीमित रहे हैं, जबकि यह design 3D structure तक expand किया गया है, और कहा गया है कि structural elements बदलकर NOR/NAND भी implement किए जा सकते हैं
      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
    • मेरी समझ से सभी circuits बनाने के आधार के रूप में NAND gate चाहिए होता है। इसलिए अगर सिर्फ inverter जोड़ दिया जाए तो potentially Turing completeness के करीब पहुँच सकता है

  • “proof-of-concept work ने cube के ऊपर धकेले जाने या नीचे धकेले जाने वाली binary calculation capability पर focus किया। लेकिन किसी specific cube को कितनी ऊँचाई तक धकेला गया है, उससे data transmit करने वाली अधिक complex calculation की संभावना भी दिखती है। हमने दिखाया कि इस system में cube पाँच या उससे ज़्यादा states रख सकता है। सैद्धांतिक रूप से इसका मतलब है कि एक cube 1 या 0 ही नहीं, बल्कि 2, 3, 4 भी transmit कर सकता है।”
    क्या यह analog computing और digital computing के बीच में खड़े होने की कोशिश है? description से तो यह limited analog computer system जैसा लगता है

    • digital का मतलब binary होना नहीं है। digital system में continuous values इस्तेमाल करने वाले analog system के विपरीत fixed number of levels होना काफी है। 1 और 0 इस्तेमाल करने वाला binary system उसका सिर्फ एक example है
      modern digital systems में भी कई non-binary तरीके हैं। उदाहरण के लिए NAND flash के QLC SSD में एक cell में 16 levels store करके 4 bits के बराबर encode किया जाता है। और 64-QAM एक modulation method है जो 802.11n Wi-Fi या terrestrial digital TV आदि में इस्तेमाल होता है, जिसमें अलग phase वाली दो sine waves में से हर एक के पास अधिकतम 8 amplitude levels हो सकते हैं
      electronic computers भी हमेशा binary नहीं थे। शुरुआती Soviet computers में से एक ने familiar 2 digits की जगह ternary का इस्तेमाल करके core calculations किए थे
    • मौजूदा digital storage devices में भी density बढ़ाने के लिए 0 और 1 से आगे के multi-level इस्तेमाल होने के मामले हैं। उदाहरण के लिए 8087 floating-point coprocessor में normal ROM die पर बहुत बड़ा पड़ रहा था, इसलिए microcode को transistor per 2 bits store करने वाले 4-level ROM में रखा गया था
      flash memory भी per cell अधिकतम 4 bits तक रखने वाले multi-level cells का इस्तेमाल करती है

  • “mechanical computer वह computer है जो electronic parts की जगह mechanical parts से operate करता है।”
    mechanical computers को लेकर excited लोगों को यह याद दिलाने लायक है कि electron, nucleon से लगभग हज़ार गुना हल्का होता है। इसलिए mechanical computer को operate करने के लिए मूल रूप से atoms को move करना पड़ता है, तो electronic computer की तुलना में हमेशा ज़्यादा energy इस्तेमाल करने की संभावना बड़ी है

    • अगर उस logic को अंत तक ले जाएँ तो photon computing को electronic computing से कहीं ज़्यादा efficient होना चाहिए। कभी न कभी शायद ऐसा होगा
      क्या वही final goal है? सिद्धांत रूप में क्या कोई ऐसी चीज़ है जो photon computing से भी Landauer limit के और करीब जा सके? यह मेरा expertise area नहीं है, लेकिन यहाँ पूछने लायक सवाल लगता है
      https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
    • भले ज़्यादा efficient न हो, electromagnetic storms के खिलाफ ज़्यादा robust हो सकता है, और overheating के लिए कम vulnerable भी। यह constrained environments के लिए fit करने वाली दिशा हो सकती है
    • क्या यह इस बात पर निर्भर नहीं करेगा कि computation में लगने वाली energy और related bits को fetch/store करने में लगने वाली energy का अनुपात क्या है? अगर requirements बहुत slow calculation और बेहद long-term storage की हों, तो mechanical calculation theoretical रूप से advantageous हो सकती है
      हालांकि Chuck Moore के GA144 को देखें तो ऐसी extreme situations में भी electronics-based computation को optimize करने की अभी काफी गुंजाइश बची है
      [0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
    • बात सही है, लेकिन आम तौर पर यह भी देखना चाहिए कि एक single signal से कितने electrons move होते हैं

  • अगर मैं billionaire बन गया तो घर में pre-electric computers के लिए ही एक बड़ा कमरा बनाना चाहूँगा। transistor के widespread होने के बाद कितनी चीज़ें लगभग trivial हो गईं, यह हैरान करने वाला है, और The Writer Automaton जैसी चीज़ें हमेशा बेहद fascinating लगी हैं

    • अगर मेरे पास बहुत पैसा हो जाए तो मैं खुशी-खुशी वह पैसा देना चाहूँगा। बदले में उससे ऐसा कमरा बने, और मुझे सभी computers को छूकर उनके working principles समझने तक खेलने दिया जाए
      मैंने mechanical engineering पढ़ी है और अब किसी और field में काम करता हूँ, लेकिन social importance समझने से अलग, goals हासिल करने के लिए mechanical principles को manipulate करने का तरीका मुझे हमेशा आकर्षित करता रहा है

  • इसका इस्तेमाल कहाँ हो सकता है? high-radiation environments या अन्य extreme environments?

    • Venus पर atmosphere electronics को अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से corrode कर देता है। इसलिए spacecraft के लिए यह बहुत मुश्किल environment है
      mechanical solution में electrical conductivity अनिवार्य condition नहीं रहेगी, इसलिए parts के ज़्यादा समय तक टिकने की संभावना हो सकती है
    • ऐसा ही approach microelectromechanical systems में useful हो सकता है
      https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS

  • “मैकेनिकल कंप्यूटेशन” से फिर से काम करने वाले chips तक, क्या समाज को दोबारा bootstrap करने का कोई उदाहरण रहा है? मान लें कि ग्रह-स्तर की किसी electromagnetic घटना से सारी computing टूट गई, तो TSMC जैसी factories को फिर से कैसे चालू करेंगे? खाद्य उत्पादन कैसे बनाए रखेंगे?
    क्या ऐसे mechanical computers और बुनियादी निर्देशों के दम पर zero state से recover किया जा सकता है?

    • मुझे यकीन नहीं कि पतन के बाद समाज recover हो पाएगा। आसानी से मिलने वाले संसाधन हम पहले ही निकाल चुके हैं, और बचे हुए संसाधन बहुत advanced technology से mine और refine किए जा रहे हैं
      बहुत कुछ recycle किया जा सकता है, लेकिन उसकी भी सीमा है। ऊपर से ज्यादातर ज्ञान digital रूप में stored है, और उसका बड़ा हिस्सा proprietary formats में है। अगर मौजूदा expertise खत्म होने से पहले किसी तरह recover नहीं कर पाए, तो हो सकता है कि उसे बहुत लंबे समय तक, या शायद कभी भी, वापस न पा सकें
    • “समाज को आजमा चुका है” से क्या मतलब है, समझ नहीं आ रहा। अगर simulations या thought experiments की बात है, तो वे निश्चित रूप से बहुत होंगे, और उनकी rigorousness का स्तर अलग-अलग होगा। असल experiment किया गया है या नहीं, तो शायद नहीं लगता
      वैसे भी, “चलो समाज बनाकर देखते हैं” वाला experiment मोटे तौर पर असंभव लगता है। बहुत मेहनत करने पर भी यह उन strategies के पक्ष में जाएगा जिनकी expected value positive हो, लेकिन failure probability अस्वीकार्य रूप से ज्यादा हो। क्योंकि पता है कि सच में fail होने पर भी reality में लौटकर hospital जा सकते हैं, इसलिए infection से मरने की लगभग 5% संभावना वाला जोखिम भी लिया जा सकता है। एक बार तो 95% संभावना से ठीक चलेगा, लेकिन कई generations तक पासा फेंकते रहेंगे तो घातक failure सामने आएगा
    • Babbage गलत rabbit hole में चला गया था। 1860s की technology से ही automatic programmable computer बनाया जा सकता था
      अगर आप तार बना या recover कर सकते हैं, और brass जैसे simple sheet-metal parts बना सकते हैं, तो electromagnets बना सकते हैं। electromagnets बना सकते हैं तो relays बना सकते हैं, और उतना काफी है। multimedia streaming नहीं होगी, लेकिन automatic control और long-distance communication संभव है
    • “ग्रह-स्तर की electromagnetic घटना से सारी computing टूट जाती है” एक असंभव scenario है। कहीं न कहीं हमेशा कोई working computer बचा रहेगा। या तो shielded होगा, या disaster के दायरे से बाहर रहा होगा, या बस किस्मत अच्छी रही होगी
      हालांकि वह आसानी से access होने वाली चीज न भी हो सकती है, और अगर जो मिला वह iPhone जैसा trusted execution platform ही हो, तो स्थिति काफी मुश्किल हो सकती है
    • CollapseOS [1] याद आता है। हालांकि यह society reboot करने से ज्यादा power control के लिए simple chips bootstrap करने के करीब है, लेकिन दोनों साथ-साथ चल सकते हैं
      [1] http://collapseos.org/

  • शायद बेवकूफी भरा सवाल हो, लेकिन क्या ऐसा computer Venus exploration rover जैसे कठोर environments के लिए उपयुक्त होगा?

    • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Automaton_Rover_for_Extreme_... NASA ने mechanical computers के संदर्भ में इसी सवाल पर एक design study की थी
      orbit से laser के जरिए पढ़े जाने वाले rotating retroreflector से data वापस भेजने का idea मुझे काफी पसंद है

  • यह paper link है। अफसोस है कि open source नहीं है
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476

  • थोड़ा QAM की याद दिलाता है

  • Neal Stephenson की The Diamond Age के सच होने जैसा लगता है