Наша способность воссоздавать сигналы, обнаруживаемые в природных системах, например, в мозге, роях и погоде, полезна для понимания основных принципов. Эти сигналы могут быть очень сложными, вплоть до так называемых «хаотических сигналов»."Хаос не означает случайность; он представляет собой очень сложный тип порядка. Незначительные изменения параметров хаотической системы могут привести к совершенно разному поведению.
Хаотические сигналы трудно предсказать, но они присутствуют во множестве различных сценариев.
К сожалению, генерация хаотических сигналов с желаемыми характеристиками – сложная задача. Создание их в цифровом виде в некоторых случаях требует слишком больших затрат энергии, и необходимы подходы, основанные на аналоговых схемах.
Теперь исследователи из Японии, Италии и Польши предлагают новый подход к созданию интегральных схем, которые могут генерировать хаотические сигналы. Это исследование явилось результатом сотрудничества ученых из Токийского технологического института (Tokyo Tech), частично финансируемого Всемирной инициативой исследовательского центра, университетами Катании и Тренто, Италия, и Польской академией наук в Кракове, Польша.
Исследовательская группа исходила из идеи, что циклы, периоды которых задаются разными простыми числами, не могут развить фиксированное соотношение фаз. Удивительно, но этот принцип, похоже, появился в процессе эволюции нескольких видов цикад, жизненные циклы которых следуют за простыми числами лет, чтобы избежать синхронизации друг с другом и с хищниками. Например, если попытаться «связать вместе» осцилляторы с периодами, установленными на первые три простых числа (3, 5 и 7), результирующие сигналы будут очень сложными, и легко может возникнуть хаос.
Конструкция началась с самого традиционного генератора в интегральных схемах, называемого «кольцевым генератором», который имеет небольшие размеры и не требует реактивных компонентов (конденсаторов и катушек индуктивности).
Такая схема была модифицирована таким образом, чтобы можно было независимо управлять мощностью кольцевых генераторов с тремя, пятью и семью ступенями, а также плотностью их связей. Устройство могло генерировать хаотические сигналы в широком диапазоне частот, от слышимых частот до радиодиапазона (от 1 кГц до 10 МГц). «Более того, он мог бы сделать это при довольно низком энергопотреблении, менее одной миллионной ватта», – объясняет доктор. Хироюки Ито, руководитель лаборатории, где был разработан прототип.
Еще более примечательным было открытие, что совершенно разные типы сигналов могут генерироваться в зависимости от немного разных характеристик отдельных прототипов.
Например, исследователи зарегистрировали серию шипов, очень похожих на те, что обнаруживаются в биологических нейронах. Они также обнаружили ситуации, в которых кольца «боролись друг с другом» до такой степени, что почти полностью подавляли их активность: это явление называется «смерть от колебаний»."
«Эта схема черпает свою красоту в действительно важной форме и принципе, а простота является ключом к реализации больших систем, работающих вместе гармонично, особенно когда она обогащена небольшими различиями и несовершенствами, такими как те, которые обнаруживаются в реализованных схемах», – говорит Доктор. Людовико Минати, ведущий автор исследования.
Команда верит в свою способность стать строительным блоком для множества различных приложений в будущем. Они будут работать над интеграцией этой схемы с датчиками, например, для измерения химических свойств почвы. Кроме того, они будут создавать сети этих осцилляторов на отдельных компьютерных микросхемах, связанных между собой способами, напоминающими биологические нейронные цепи.
Они надеются реализовать определенные операции, потребляя во много раз меньше энергии, чем традиционный компьютер.