Elektronik cihazlar yerine kirigami küplerle çalışan mekanik bilgisayar

• NC State araştırmacıları, elektronik bileşenler olmadan yalnızca bağlantılı polimer küpler kullanarak verileri depolayan, geri getiren ve silen kirigami tabanlı bir mekanik bilgisayar geliştirdi
• Temel birim, 1 cm’lik 64 plastik küpten oluşan bir işlev birimi; küpler yukarı-aşağı itilerek 1 ve 0 gibi durumlar ve genel geometri değiştiriliyor
• Veri düzenleme, metayapının kenarı çekilerek elastik bandın gerili tutulduğu durumda mümkün oluyor; bırakıldığında bant büzülerek küpleri ve veriyi sabitliyor
• 9 işlev biriminden oluşan basit bir metayapı bile yalnızca ikili yöntemle 362.000’den fazla konfigürasyon oluşturabiliyor; küplerin 5 kademeye kadar üst üste çıktığı çok durumlu konfigürasyon da gösterildi
• Bu yapı, mekanik şifreleme ve şifre çözme, 3 boyutlu bilgiyi gösteren haptik sistemler ve ikilinin ötesine geçen kodlama yöntemlerine genişletilme potansiyeli taşıyor

---

Elektronik bileşensiz mekanik bellek

• NC State araştırmacıları, elektronik bileşenlere dayanmadan verileri depolayabilen, geri getirebilen ve silebilen kirigamiden esinlenmiş bir mekanik bilgisayar geliştirdi
• Sistem, sert ve birbirine bağlı polimer küplerden oluşan karmaşık bir yapı kullanıyor
• Kullanıcılar, verinin düzenlenebildiği durum ile verinin yerinde kilitlendiği durum arasında geçiş yapabiliyor
• Mekanik bilgisayarlar elektronik bileşenler yerine mekanik parçalarla çalışır; tarihsel olarak kaldıraç veya dişli gibi parçalar kullanmışlardır
• Bu sistem, iki veya daha fazla kararlı duruma sahip olabilen çok kararlı yapılardan yararlanıyor

Kirigami küplerinin durum değiştirme biçimi

• Temel birim, 1 cm boyutunda bir plastik küp; 64 bağlantılı küp bir işlev birimi oluşturuyor
• İşlev birimi tasarımı, kağıdı kesip katlama sanatı olan kirigamiden yola çıkıyor ve bu ilkeyi bağlantılı küpler şeklinde kesilmiş 3 boyutlu malzemeye uyguluyor
• Tek bir küp yukarı veya aşağı itildiğinde, bağlantılı tüm küplerin geometrisi ya da mimarisi birlikte değişiyor
  • Küp fiziksel olarak doğrudan yukarı veya aşağı itilebiliyor
  • İşlev biriminin üzerine manyetik bir plaka takılıp manyetik alan uygulanarak uzaktan da hareket ettirilebiliyor
• 64 küplük işlev birimleri daha karmaşık bir metayapı içinde bir araya getirildiğinde daha fazla veri depolanabiliyor veya daha karmaşık hesaplamalar yapılabiliyor

Yazma, kilitleme ve silme mekanizması

• Küpler ince elastik bantlarla birbirine bağlanıyor
• Veriyi düzenlemek için işlev biriminin konfigürasyonunu değiştirmek gerekiyor; kullanıcı metayapının kenarını çekerek elastik bandı geriyor
• Bant gerili durumdayken küpler yukarı-aşağı itilebiliyor
• Metayapı bırakıldığında bant büzülerek küpleri ve veriyi sabitliyor
• Mekanik bilgisayar videosu https://youtu.be/yR1uUKqwMTo?si=45Ldqa6jfqiWskjM adresinden izlenebilir

İkilinin ötesinde bilgi temsili

• Kavram kanıtlama çalışması, küplerin yukarıda veya aşağıda olduğu durumları 1 ya da 0 olarak gören ikili hesaplamaya odaklanıyor
• Küpün ne kadar yükseğe çıktığı veri olarak kullanılırsa daha karmaşık hesaplama da mümkün oluyor
• Kavram kanıtlama sisteminde küpler 5 veya daha fazla duruma sahip olabiliyor
  • Teorik olarak tek bir küp yalnızca 1 veya 0 değil, 2, 3 ve 4 değerlerini de iletebilir
• Her 64 küplük işlev birimi, küplerin en fazla 5 kademeye kadar üst üste çıktığı çeşitli mimarilerde yapılandırılabiliyor
• Ancak bu mimariden yararlanan kod henüz geliştirilmiş değil; araştırmacılar metayapının kodlama olasılıklarını keşfedecek iş birlikleriyle ilgileniyor

Şifreleme ve haptik sistemlere genişleme potansiyeli

• Olası uygulamalardan biri, 3 boyutlu mekanik şifreleme ve şifre çözme
  • Belirli bir işlev birimi konfigürasyonu 3D parola gibi çalışabilir
• İkili çerçevede küpler yalnızca yukarı veya aşağı durumlarına sahip olsa bile, 9 işlev biriminden oluşan basit bir metayapı 362.000’den fazla olası konfigürasyona sahip
• Bu metayapı, ekran pikselleri yerine 3 boyutlu bağlamda bilgi gösteren haptik sistemlerde de kullanılabilir
• “Reprogrammable and Reconfigurable Mechanical Computing Metastructures with Stable and High-Density Memory” başlıklı makale, açık erişimli Science Advances dergisinde yayımlandı
• Bu platform, bilgi yazma, silme, okuma, şifreleme ve mekanik mantık hesaplaması için ikili birim veya pop-up voksel olarak çalışabilir; ön gerilim durumu serbest bırakıldığında dış mekanik ve manyetik bozunumlara karşı bilginin kararlı hale getirilmesini mümkün kılar

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Gerçekten çalışan tek bir mantık kapısı bile yapmışlar mı? Videoda yalnızca bitlerin elle müdahaleyle ileri geri çevrildiği görülüyor.
  Düzeltme: Makaleye bakınca öyle görünüyor. “Son olarak, bu metayapıyı basit bir mekanik mantık kapısı olarak inceliyoruz. Şekil 8(C, D), yerel elemanların bağımsız çift kararlılığından yararlanarak ‘OR’ ve ‘AND’ mantık kapısı davranışının gerçekleştirildiğini gösteriyor.”

  • Tam makalede var. Açık kaynak değil ve henüz arXiv’e de yüklenmiş gibi görünmüyor.
    “Mechanical logic gates” bölümünde OR/AND kapılarını gerçekleştirdikleri anlatılıyor. Çıktıyı okumak için yüksekliği ayarlanabilir düz bir plakayı platform üzerindeki küçük bir alanın üstüne kapatıyorlar; plaka yatay olarak yukarı kalkmışsa “1”, eğilmiş ya da aşağıdaysa “0” olarak okunuyor.
    OR’da P1 yükseltilip sabitlendikten sonra S1 veya S2 yukarı çıkarsa kararlı bir yatay plaka oluşuyor ve “1” oluyor; AND’de ise yalnızca P1=P2=P3=1 olduğunda üç noktalı temasla plaka kararlı biçimde yukarı kalkıyor ve “1” oluyor. Mevcut mekanik mantık metayapıları çoğunlukla 1D/2D’de kalırken, bu tasarımın 3D yapıya genişlediği ve yapısal elemanlar değiştirilerek NOR/NAND’in de gerçekleştirilebileceği söyleniyor.
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476
  • Tüm devreleri kurmak için temel olarak NAND kapısı gerektiğini biliyorum. Bu yüzden yalnızca bir inverter eklenirse potansiyel olarak Turing tamlığına yaklaşacak gibi.

• “Kavram kanıtlama çalışması, küplerin yukarı ya da aşağı itilmesine dayalı ikili hesaplama işlevine odaklandı. Ancak belirli bir küpün ne kadar yükseğe itildiğiyle veri ileten daha karmaşık hesaplama olasılıkları da olduğunu düşünüyoruz. Bu sistem içinde bir küpün beş veya daha fazla duruma sahip olabildiği gösterildi. Teorik olarak bu, tek bir küpün yalnızca 1 ya da 0 değil, 2, 3, 4 de iletebileceği anlamına geliyor.”
  Bu, analog hesaplama ile dijital hesaplama arasına yerleşmeye mi çalışıyor? Yalnızca açıklamaya bakınca sınırlı bir analog bilgisayar sistemi gibi geliyor.

  • Dijital, ikili demek değildir. Dijital sistemler, sürekli değerler kullanan analog sistemlerin aksine sabit sayıda seviyeye sahip olmalıdır. 1 ve 0 kullanan ikili sistem bunun yalnızca bir örneğidir.
    Modern dijital sistemlerde de ikili olmayan pek çok yöntem var. Örneğin NAND flash kullanan QLC SSD’ler, tek bir hücrede 16 seviye saklayarak 4 bit karşılığını kodlar. Ayrıca 64-QAM, 802.11n Wi-Fi veya karasal dijital TV gibi alanlarda kullanılan bir modülasyon yöntemidir; farklı fazdaki iki sinüs dalgasının her biri en fazla 8 genlik seviyesine sahip olabilir.
    Elektronik bilgisayarlar da her zaman ikili değildi. Erken dönem Sovyet bilgisayarlarından biri, alışık olduğumuz 2 rakam yerine üçlü sistem kullanarak temel hesaplamaları yapıyordu.
  • Mevcut dijital depolama aygıtları arasında da yoğunluğu artırmak için 0 ve 1’in ötesinde çok seviyeli değerler kullananlar var. Örneğin 8087 kayan nokta yardımcı işlemcisi, normal ROM kalıp üzerinde çok büyük yer kapladığı için mikro kodunu transistör başına 2 bit saklayan 4 seviyeli ROM’da tutuyordu.
    Flash bellek de hücre başına en fazla 4 bit taşıyan çok seviyeli hücreler kullanır.

• “Mekanik bilgisayar, elektronik bileşenler yerine mekanik bileşenlerle çalışan bilgisayardır.”
  Mekanik bilgisayarlara heyecan duyanlara, elektronun nükleondan yaklaşık bin kat daha hafif olduğunu hatırlatmakta fayda var. Bu yüzden mekanik bilgisayar çalışmak için temelde atomları hareket ettirmek zorunda olduğundan, elektronik bilgisayarlardan her zaman daha fazla enerji kullanma olasılığı yüksek.

  • Bu mantığı sonuna kadar götürürsek fotonik bilişim elektronik bilişimden çok daha verimli olmalı. Bir gün öyle olacak gibi.
    Nihai hedef bu mu? Teorik olarak Landauer sınırına fotonik bilişimden daha fazla yaklaşabilecek bir şey var mı? Uzmanlık alanım değil ama burada sormak için iyi bir soru gibi.
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Landauer%27s_principle
  • Daha verimli olmasa bile elektromanyetik fırtınalara karşı daha dayanıklı ve aşırı ısınmaya daha az hassas olabilir. Kısıtları yüksek ortamlara uyarlama yönünde olabilir.
  • Hesaplama için kullanılan enerji ile ilgili bitleri getirme ve saklama için kullanılan enerjinin oranına bağlı değil mi? Gereksinimler çok yavaş hesaplama ve aşırı uzun vadeli depolama ise mekanik hesaplama teorik olarak avantajlı olabilir.
    Yine de Chuck Moore’un GA144’üne bakınca, bu tür uç durumlarda bile elektronik tabanlı hesaplamayı optimize etmek için hâlâ epey alan var.
    [0] https://www.youtube.com/watch?v=0PclgBd6_Zs
  • Doğru, ama genelde tek bir sinyalle kaç elektron hareket ettirildiğine de bakmak gerekir.

• Milyarder olursam evimde yalnızca elektrik öncesi bilgisayarlar için büyük bir oda yapmak isterim. Transistörler yaygınlaştıktan sonra ne kadar çok şeyin neredeyse sıradanlaştığı şaşırtıcı; The Writer Automaton gibi nesneler de bana her zaman inanılmaz derecede büyüleyici gelmiştir.

  • Büyük bir param olursa onu seve seve veririm. Karşılığında bununla böyle bir oda yapılsın ve ben tüm bilgisayarları kurcalayıp nasıl çalıştıklarını anlayana kadar oynamama izin verilsin isterim.
    Makine mühendisliği okudum ve şimdi başka bir alanda çalışıyorum; toplumsal önemini anlamamdan bağımsız olarak, bir hedefe ulaşmak için mekanik ilkeleri manipüle etme biçimi beni hep büyülemiştir.

• Bu ne için kullanılabilir? Yüksek radyasyonlu ortamlar ya da başka aşırı ortamlar mı?

  • Venüs’te atmosfer elektronik aygıtları inanılmaz derecede hızlı aşındırıyor. Bu yüzden uzay araçları için çok zor bir ortam.
    Mekanik bir çözümde elektriksel iletkenlik zorunlu koşul olmaktan çıkabileceği için parçaların daha uzun süre dayanma olasılığı var.
  • Benzer bir yaklaşım mikroelektromekanik sistemler için yararlı olabilir gibi.
    https://en.wikipedia.org/wiki/MEMS

• “Mekanik hesaplama”dan yeniden çalışan çiplere kadar toplumu yeniden bootstrap etmiş bir örnek var mı? Gezegen ölçeğinde bir elektromanyetik olay yüzünden tüm hesaplama altyapısının bozulduğunu varsayarsak, TSMC gibi fabrikaları nasıl tekrar işler hâle getiririz? Gıda üretimini nasıl sürdürürüz?
  Böyle mekanik bilgisayarlar ve temel talimatlarla sıfır durumundan kurtarma yapılabilir mi?

  • Çöküşten sonra toplumun toparlanabileceğinden emin değilim. Kolay erişilebilen kaynaklar zaten çıkarıldı; kalan kaynaklar ise çok ileri teknolojilerle çıkarılıp rafine ediliyor.
    Pek çok şeyi geri dönüştürmek mümkün olabilir ama bunun da sınırları var. Üstelik bilginin büyük kısmı dijital olarak saklanıyor ve önemli bir bölümü tescilli formatlarda. Mevcut uzmanlık yok olmadan bir şekilde toparlanamazsak, bunları çok uzun süre, hatta belki de hiçbir zaman geri kazanamayabiliriz.
  • “Toplumu denedik” derken ne kastedildiğini bilmiyorum. Simülasyonlar ya da düşünce deneyleri söz konusuysa, kuşkusuz çok vardır ve titizlik düzeyleri de farklılık gösterir. Gerçek bir deney yapıldı mı derseniz, muhtemelen hayır.
    Her hâlükârda “bir toplum kuralım” türü bir deneyin genelde imkânsız olduğunu düşünüyorum. Gerçekten çok çabalasanız bile, beklenen değeri pozitif olsa da başarısızlık olasılığı kabul edilemeyecek kadar yüksek olan stratejileri avantajlı kılar. Gerçekte başarısız olsanız bile gerçek hayata dönüp hastaneye gidebileceğinizi bildiğiniz için, enfekte olup ölme olasılığı yaklaşık %5 olan riskleri bile göze alabilirsiniz. Bir kez denendiğinde %95 olasılıkla iyi gider; ama zarları birçok nesil boyunca atarsanız ölümcül bir başarısızlık ortaya çıkar.
  • Babbage yanlış bir tavşan deliğine girdi. 1860’ların teknolojisiyle bile otomatik programlanabilir bilgisayar yapılabilirdi.
    Tel üretebilir ya da geri kazanabilirseniz ve pirinç gibi basit sac metal parçalar yapabiliyorsanız elektromıknatıs yapabilirsiniz. Elektromıknatıs yapabiliyorsanız röle yapabilirsiniz; bu da yeterli. Multimedya akışı mümkün olmazdı ama otomatik kontrol ve uzak mesafe iletişim mümkün olurdu.
  • “Gezegen ölçeğinde bir elektromanyetik olay yüzünden tüm hesaplamanın bozulması” imkânsız bir senaryo. Bir yerlerde her zaman çalışan bir bilgisayar kalır. Ya ekranlanmıştır, ya felaketin menzili dışındadır, ya da şansı yaver gitmiştir.
    Yine de erişmesi kolay bir şey olmayabilir; bulduğunuz şey yalnızca iPhone gibi güvenilir yürütme platformuysa durum epey umutsuz hâle gelebilir.
  • CollapseOS [1] aklıma geliyor. Gerçi bu, toplumu yeniden başlatmaktan ziyade güç kontrolü için basit çipleri bootstrap etmeye daha yakın; ama ikisinin birlikte ilerlediği de söylenebilir.
    [1] http://collapseos.org/

• Aptalca bir soru olabilir ama böyle bir bilgisayar Venüs keşif rover’ı gibi zorlu ortamlar için uygun olur mu?

  • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Automaton_Rover_for_Extreme_... NASA’nın mekanik bilgisayarlarla ilgili olarak bu soruyu ele aldığı bir tasarım çalışması vardı.
    Verileri, yörüngeden lazerle okunan döner retroreflektör ile geri gönderme fikri oldukça hoşuma gidiyor.

• Makalenin bağlantısı. Açık kaynak olmaması üzücü.
  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6476

• Biraz QAM’i çağrıştırıyor.

• Neal Stephenson’ın The Diamond Age’inin gerçeğe dönüşmüş hâli gibi.