Επανάσταση στο χώρο των ηλεκτρονικών από «ελληνική» νανοτεχνολογία.
Η ικανότητά μας να συσσωρεύουμε περισσότερους από αυτούς τους διακόπτες ανά τσιπ, κάτι που είναι γνωστό ως νόμος του Moore, προσεγγίζει σήμερα τα φυσικά όρια. Μια νέα νανοτεχνολογία που ονομάζεται memristor παρουσιάζει μια ελπιδοφόρα λύση ενάντια σε αυτή τη συμφόρηση.
Για περισσότερο από επτά δεκαετίες οι ηλεκτρονικές τεχνολογίες προσπαθούν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των σύγχρονων κοινωνιών για αξιόπιστη, έξυπνη και προσιτή επεξεργασία δεδομένων.
Αυτό έχει επιτευχθεί κυρίως χάρη στα ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιλαμβάνουν τεράστιους αριθμούς διακοπτών (τρανζίστορς) οι οποίοι λειτουργούν σε δύο καταστάσεις: είτε μπλοκάρουν (‘0’) είτε επιτρέπουν (‘1’) στο ρεύμα να ρέει. Για παράδειγμα, η αφθονία της λειτουργικότητας στα smartphones τροφοδοτείται από προηγμένες τεχνολογίες που περιέχουν κατά μέσο όρο πάνω από 5 δισεκατομμύρια τρανζίστορ.
Η ικανότητά μας να συσσωρεύουμε περισσότερους από αυτούς τους διακόπτες ανά τσιπ, κάτι που είναι γνωστό ως νόμος του Moore, προσεγγίζει σήμερα τα φυσικά όρια.
Μια νέα νανοτεχνολογία που ονομάζεται memristor παρουσιάζει μια ελπιδοφόρα λύση ενάντια σε αυτή τη συμφόρηση.
Η δυνατότητα κατασκευής των memristor διατυπώθηκε ως θεωρία για πρώτη φορά το 1971 από τον καθηγητή Λίον Τσούα του Πανεπιστημίου του Μπέρκλεϊ, αλλά μόλις το 2008 η Hewlett-Packard απέδειξε την ύπαρξή τους πειραματικά.
Τα memristor έχουν στον πυρήνα τους ένα λεπτό λειτουργικό στρώμα οξειδίου του οποίου η αντίσταση μπορεί να αναδιαμορφωθεί δυναμικά για να επιτρέψει την απομνημόνευση περισσότερων των δύο καταστάσεων, δικαιολογώντας το όνομά τους, καθώς ο όρος memristor μεταφράζεται ως «μνημονική αντίσταση».
Έχουν στην ουσία την ικανότητα ταυτόχρονης επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων, σε αντίθεση με τα τρανζίστορ, τα οποία απαιτούν χρόνο και ενέργεια για την ανάκληση δεδομένων από το σκληρό δίσκο, την επεξεργασία τους και την επαναποθήκευσή τους.
Μια νέα ανακάλυψη στον τομέα αυτό από την ομάδα του Έλληνα καθηγητή νανοτεχνολογίας Θέμη Προδρομάκη στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον έρχεται να ταράξει το χώρο της μικροηλεκτρονικής. Η κατά βάση ελληνική ερευνητική ομάδα του κατάφερε να ενισχύσει τη χωρητικότητα δεδομένων των νανοσυσκευών memristor σε επίπεδα που δεν έχουν προηγούμενο, φέρνοντας ακόμα πιο κοντά μία νέα πανίσχυρη γενιά ηλεκτρονικών επεξεργαστών με πολλαπλές χρήσεις.
Ο καθηγητής Προδρομάκης δήλωσε ότι πρόκειται για μία ανακάλυψη που γεννά μεγάλες προσδοκίες: «Έως το 2020 αναμένεται να υπάρχουν πάνω από 200 δισεκατομμύρια διασυνδεδεμένες συσκευές (γνωστό και ως Internet of Things), κάτι που σημαίνει ότι θα παράγεται μία απίστευτη ποσότητα δεδομένων που απαιτούν επεξεργασία. Τα memristor είναι μία ‘τεχνολογία-κλειδί’ που επιτρέπει την ανάπτυξη επεξεργαστών επόμενης γενιάς, οι οποίοι πρέπει να είναι εξαιρετικά αναβαθμίσιμοι αλλά ταυτόχρονα οικονομικοί και χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης».
Ο Έλληνας καθηγητής και η ομάδα του στο βρετανικό πανεπιστήμιο έχουν ήδη προσεγγιστεί από τεχνολογικούς κολοσσούς με τους οποίους συνεργάζονται για να αναπτυχθούν οι πρακτικές εφαρμογές των memristor. «Οι συνεργασίες μας στοχεύουν στην ανάπτυξη καινοτόμων ηλεκτρονικών συστημάτων που απαιτούν εξατομικευμένη προσαρμογή, ενώ θα μπορούν και να χρησιμοποιηθούν σε χώρους που δεν είναι εύκολα προσβάσιμοι, όπως για παράδειγμα στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, στο διάστημα ή και σε πυρηνικούς αντιδραστήρες» τόνισε.
Ταυτόχρονα, αυτή η τεχνολογία είναι ιδανική για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συστημάτων που μπορούν να μαθαίνουν και να προσαρμόζονται αυτόνομα, όπως ο ανθρώπινος εγκέφαλος, φέρνοντας πιο κοντά μας τα οφέλη της τεχνητής νοημοσύνης, συμπλήρωσε ο Θέμης Προδρομάκης.
ΘΑΝΑΣΗΣ ΓΚΑΒΟΣ
22/2/2018
Ο δρ Προδρομάκης και η επανάσταση των memristor
ΛΟΝΔΙΝΟ-ΑΝΤΑΠΟΚΡΙΣΗ.
Φανταστείτε πόσα χρήματα μπορεί να γλιτώσει ένα δημόσιο σύστημα υγείας... Πόσο εύκολη, γρήγορη και οικονομική θα είναι η διάγνωση ασθενειών στον Τρίτο Κόσμο... Ή και ο έλεγχος ντόπινγκ!» O Θέμης Προδρομάκης, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Νανοηλεκτρονικής του τομέα Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Σαουθάμπτον, μιλάει για το νέο του ερευνητικό δημιούργημα με ενθουσιασμό παιδιού. Δεν τον αδικώ, δεδομένου ότι ο αγγλικός Τύπος το έχει ήδη παρομοιάσει με τη διαγωνιστική συσκευή Tricorder του «Star Trek». Είναι μια «απλή» πλακέτα τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) που χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά εξαρτήματα ως χημικούς αισθητήρες. Θα κοστίζει πάνω-κάτω 60 €, θα συνδέεται σε smartphone και από μία σταγόνα αίμα θα επιτρέπει στον χρήστη να προβαίνει σε άμεση διάγνωση ασθενειών, από απλούς ιούς μέχρι κάποιες μορφές καρκίνου, τον ιό HIV ή τη φυματίωση, μέσα σε λίγα λεπτά!
Τα πρωτότυπα της διαγνωστικής μικροσυσκευής, που αναπτύσσεται σε συνεργασία με το Imperial College του Λονδίνου και την εταιρεία Newbury Electronics, πιστεύεται ότι θα είναι διαθέσιμα για κλινικές δοκιμές έως τον επόμενο χρόνο. Και αυτό είναι μόνο ένα από τα τρία συναρπαστικά ερευνητικά αντικείμενα του 33χρονου Ελληνα πρωτοπόρου της νανοτεχνολογίας, που συγκεντρώνουν τα βλέμματα της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας αλλά και κολοσσών της βιομηχανίας (από τη Hewlett Packard μέχρι τη φαρμακευτική GlaxoSmithKline). Από τη μία, εξελίσσει την ιδέα των «memristor» (σύντμηση του memory-resistor που σημαίνει «μνημονική αντίσταση» ή «αντιστάτης με μνήμη»), μιας επανάστασης στην αρχιτεκτονική των υπολογιστών, που συνδέει τη μικροηλεκτρονική με τη βιολογία. Από την άλλη, καταπιάνεται με τη συνθετική βιολογία και, εφαρμόζοντας καθιερωμένες μεθόδους νανοκατασκευής, φτιάχνει στο εργαστήριο «μικρο-πλατφόρμες» μέσα στις οποίες μπορούν να αναπτυχθούν κυτταρικοί ιστοί και όργανα για ιατρική χρήση.
Ολα αυτά γίνονται στο φουτουριστικό περιβάλλον της Σχολής Ηλεκτρονικής και Επιστήμης των Υπολογιστών του Πανεπιστημίου του Σαουθάμπτον, όπου βρίσκεται το εργαστήριό του. «Είναι το καμάρι του», όπως λέει με το «καλημέρα» η 28χρονη Τατιάνα Τραντίδου, μέλος της ερευνητικής του ομάδας, η οποία έχει ισχυρή ελληνική εκπροσώπηση - εννοείται ότι οι ευκαιρίες δίνονται με βάση την αξία, όχι την εθνικότητα. Δύο στοιχεία εντυπωσιάζουν: η διάχυτη υπερηφάνεια των ερευνητών για την εργασία τους εκεί και ο σεβασμός με τον οποίο περιβάλλεται ο 33χρονος Θέμης Προδρομάκης.
«Βαριόμουν στο σχολείο»
Γιος μεταναστών, με πατέρα μαραγκό, γεννημένος στο Σίδνεϊ και μεγαλωμένος από 6 ετών στο Αίγιο, καταπιανόταν από μικρός με τα ηλεκτρονικά, που τον γοήτευαν- «από το γυμνάσιο ήξερα ότι ήθελα να ασχοληθώ με αυτά». Η αρχική έλξη εξελίχθηκε σε σχέση ζωής. «Αγαπώ αυτό που κάνω, γι’ αυτό μιλώ συνέχεια - στους φοιτητές, στους φίλους, στη γυναίκα μου. Και έξω αν βρισκόμασταν για καφέ, γι’ αυτό θα σου μιλούσα».
Η αγάπη για την τεχνολογία και η στήριξη των γονιών καθόρισαν τα επόμενα βήματα ενός παιδιού που στο σχολείο δεν ήταν μαθητής του «άριστα». «Εξυπνος ήμουν, αλλά βαριόμουν αυτά που μας μάθαιναν. Ετσι αποφάσισα ότι δεν ήθελα να δώσω Πανελλαδικές. Εκ των υστέρων, βλέποντας τι έχουν περάσει συνάδελφοι και φίλοι μου με ανάλογη πορεία στην Ελλάδα, θεωρώ ότι με την επιλογή μου να φύγω δεν έχασα χρόνο». Μετά το λύκειο φοίτησε στο Πανεπιστήμιο του Hull, απ’ όπου πήρε πτυχίο ηλεκτρολόγου μηχανολόγου υπολογιστών. Ακολούθησε μεταπτυχιακό στη Μικροηλεκτρονική και στις Τηλεπικοινωνίες στο Λίβερπουλ και διδακτορικό στο Imperial (που επέλεξε αντί του Κέμπριτζ και της Οξφόρδης, που επίσης τον είχαν δεχτεί) με διάλειμμα 1 έτους στο Berkeley, στη «Μέκκα» της τεχνολογίας, Καλιφόρνια.
Η επανάσταση των memristor
«Ο υπολογιστής αποτελείται κυρίως από έναν επεξεργαστή και μια μνήμη, έναν σκληρό δίσκο», εξηγεί ο ίδιος. «Παίρνεις τα δεδομένα από τη μνήμη, τα διοχετεύεις στον επεξεργαστή και αποθηκεύεις το αποτέλεσμα πίσω στη μνήμη. Αυτή η μεταφορά δεδομένων απαιτεί χρόνο και ενέργεια. To αντίστοιχο στη βιολογία είναι οι νευρώνες του εγκεφάλου και οι συνάψεις τους, όπου ουσιαστικά γίνεται ταυτόχρονα και η επεξεργασία, και η αποθήκευση. Τα memristor κάνουν ακριβώς το ίδιο πράγμα. Εχουμε, λοιπόν, μια συσκευή που είναι έως και δέκα φορές μικρότερη από τα σημερινά transistors που χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε όλες τις τεχνολογίες, μπορεί να λειτουργήσει με το ένα χιλιοστό της ενέργειας και μπορούμε να μεταβάλουμε τις ιδιότητές της χίλιες με ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από τα transistors!» Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι μπορείς να αποθηκεύσεις περισσότερα δεδομένα σε πολύ μικρότερο χώρο και με λιγότερη ενέργεια. «Καταλαβαίνεις, λοιπόν, γιατί κολοσσοί του χώρου των ηλεκτρονικών παρακολουθούν στενά όσα κάνουμε εδώ», λέει ο δρ Προδρομάκης. «Εμείς πάντως αξιοποιούμε αυτό το πεδίο για να αναπτύξουμε νέου είδους ηλεκτρονικά κυκλώματα, τα οποία θέλουμε να λειτουργούν λίγο περισσότερο σαν τον ανθρώπινο εγκέφαλο, δηλαδή να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον, να μαθαίνουν και να δρουν αυτοβούλως».
Δυνητικές εφαρμογές των νανοσυσκευών αυτών, που λειτουργούν με «βιολογικό» τρόπο, θα μπορούσαν να ήταν σε πρώτο στάδιο αυτόματοι πιλότοι με ακαριαία επεξεργασία δεδομένων ή χρήσεις στη ρομποτική, για «σκεπτόμενες» μηχανές. Η ομάδα του Σαουθάμπτον, εξάλλου, έχει ήδη λάβει χρηματοδότηση από την Ε.Ε. για να εξετάσει κατά πόσον αυτές οι δομές «που ήδη μιλάνε και καταλαβαίνουν τη γλώσσα της βιολογίας» μπορούν να λειτουργήσουν ως «γέφυρες» εμφυτευόμενες στο νευρικό σύστημα, αποκαθιστώντας νευρωνικές λειτουργίες. Η πλήρης ανάπτυξη μιας τέτοιας έρευνας απαιτεί τουλάχιστον 15 - 20 χρόνια, όπως εκτιμά ο Ελληνας επιστήμονας. «Αυτό είναι η επιστήμη: να δουλεύεις για να βρεις λύση σε ένα πρόβλημα που δεν έχει λυθεί προηγουμένως. Πρέπει να αναπτύξεις το καινοτόμο, να προσθέσεις ένα λιθαράκι στη συνολική γνώση».
Ποιο είναι το κίνητρό του; Η αγάπη για την έρευνα ή οι δυνητικές πρακτικές εφαρμογές των ερευνών του; «Και τα δύο. Θα σου έλεγα ψέματα αν υποστήριζα ότι δεν με συνεπαίρνει το αντικείμενο και οι δυνατότητες. Με εξιτάρει να συζητώ ιδέες πάνω στον καφέ με τους συνεργάτες μου, επειδή είναι επιστημονικά ενδιαφέρουσες, χωρίς απαραίτητα να έχουμε κατά νου μια εφαρμογή στο τέλος της διαδικασίας. Πολλές φορές, όμως, τρώγοντας έρχεται η όρεξη... Αρχίζεις και βλέπεις ενδιαφέρουσες εφαρμογές που δεν τις είχες σκεφτεί πριν». Υπάρχει κάτι που να είναι ανέφικτο; «Ο ουρανός είναι το όριο, που λένε και οι Αγγλοι. Πραγματικά στοχεύουμε πολύ ψηλά. Προφανώς δεν αποδίδουν όλες οι ιδέες, αλλά και από τα λάθη μας μαθαίνουμε».
Κατασκευάζοντας ιστούς και όργανα
Στο Imperial College του Λονδίνου, το γραφείο του Θέμη Προδρομάκη ήταν δίπλα σε αυτό του Μαγκντί Γιακούμπ: μια γειτνίαση που αποδείχτηκε καθοριστική για το τρίτο και εξίσου συναρπαστικό παρακλάδι της έρευνάς του, αυτό της συνθετικής βιολογίας. Θυμάται τον διάσημο Αιγύπτιο καρδιοχειρουργό να του θέτει την πρόκληση: «Θέμη, εσύ φτιάχνεις πολύ μικρά πράγματα και εγώ έχω ένα πρόβλημα - θα ήθελα κύτταρα σε συγκεκριμένους χώρους, σε καλούπια. Μπορούμε να το κάνουμε;». Για μένα ήταν πανεύκολο, δεν μπορούσα όμως να καταλάβω γιατί ήθελε να το κάνει.
Ο Γιακούμπ, λοιπόν, ήθελε να αναπτύξει όργανα ή ιστούς σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, ώστε να τα χρησιμοποιήσει σε επεμβάσεις». Με καθιερωμένες μεθόδους νανοκατασκευής το εργαστήριό του φτιάχνει μικροπλατφόρμες, σαν μικροκαλούπια, μέσα στα οποία μπορούν να αναπτυχθούν βιολογικοί, δηλαδή κυτταρικοί ιστοί. «Εχουμε αποδείξει πλέον πειραματικά ότι, όταν αναπτύσσουμε κύτταρα κατ’ αυτόν τον τρόπο, έχουν χαρακτηριστικά που είναι πιο κοντά στη φύση σε σχέση με αυτά που δημιουργούν οι επικρατούσες σήμερα μέθοδοι». Ενδιαφέρον για τη συγκεκριμένη έρευνα έχει εκδηλώσει η φαρμακευτική GlaxoSmithKline, καθώς αναγνωρίζει ότι η πιο βιο-ρεαλιστική μοντελοποίηση ασθενειών επιτρέπει την πιο γρήγορη, οικονομική αλλά και στοχευμένη ανάπτυξη φαρμάκων.
Η ομάδα, η εκκλησία, η οικογένεια
Στα 33 του ο Θέμης Προδρομάκης είναι από τους νεαρότερους σε αυτό το ακαδημαϊκό επίπεδο στη Βρετανία. Η εργασία του έχει αναγνωριστεί μεταξύ άλλων με σημαντικά χρηματικά βραβεία - ερευνητικές επιδοτήσεις από διάφορους οργανισμούς. Το πρώτο, μόλις ένα μήνα μετά την πρόσληψή του στο Σαουθάμπτον, ήρθε από το Συμβούλιο Ερευνών Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) του Ηνωμένου Βασιλείου - 2,1 εκατομμύρια στερλίνες που του επέτρεψαν να αναπτύξει μια δεκαμελή ερευνητική ομάδα μέσα σε ένα μήνα. Αυτήν τη στιγμή αριθμεί 15 ερευνητές (οι έξι είναι Ελληνες), αλλά μέχρι τον Σεπτέμβριο πιστεύει ότι θα τους έχει αυξήσει στους 20. Μεταξύ άλλων αναζητεί ανάδοχο για υποτροφία του Ιδρύματος Λεβέντη, που στηρίζει το ερευνητικό του έργο. «Το μήνυμα που θέλω να περάσω στους φοιτητές μου είναι να συγκεντρώνονται στο παρόν, όχι στο μέλλον. Γιατί αν κάνεις καλά αυτό που έχεις μπροστά σου, όλα τα υπόλοιπα θα έρθουν. Προφανώς και βάζω στόχους, αλλά δεν τους αφήνω να με εκτρέπουν από την πορεία μου», λέει ο δρ Προδρομάκης.
Η συζήτηση περνά στο άλλο μεγάλο κεφάλαιο - τη ζωή στην Αγγλία, τις σχέσεις με την Ελλάδα... Γιατί επέλεξε το Σαουθάμπτον; «Ο πατέρας μου λέει ότι ο μάστορας είναι τα εργαλεία του. Οι εγκαταστάσεις εδώ είναι μοναδικές σε παγκόσμιο πανεπιστημιακό επίπεδο και γι’ αυτό έχουμε πολλές εταιρείες που έρχονται και τις αξιοποιούν. Με όλα αυτά εδώ στη διάθεσή σου, το μόνο που χρειάζεσαι είναι όρεξη για δουλειά», λέει.
Στη Βρετανία έχει περάσει όλη την ενήλικη ζωή του. Εδώ παντρεύτηκε (τη Μαρία Στιβαχτοπούλου, δημοσιογράφο), εδώ απέκτησε δύο αγοράκια, τώρα δυόμισι και τριάμισι ετών. Πρόσφατα αγόρασε σπίτι στο Σαουθάμπτον - «όλα μπαίνουν σε μια τάξη σιγά-σιγά», λέει χαμογελώντας. Η αίσθηση που δίνει, πάντως, είναι ότι ήδη όλα έχουν μπει σε τάξη. Γύρω του υπάρχουν βιβλία, υπολογιστές, PCB, σχεδιαγράμματα, εξισώσεις, τα τηλέφωνα χτυπούν, οι ερευνητές της ομάδας του μπαινοβγαίνουν, κάτι να τον ρωτήσουν, κάτι να του θυμίσουν. Ολα όμως μοιάζουν παραδόξως ήρεμα, υπό τον πλήρη έλεγχό του. «Δουλεύουμε πολύ. Για εμάς το πανεπιστήμιο δεν είναι ποτέ κλειστό. Εγώ ή τα παιδιά μπορούμε, αν θέλουμε, να έρθουμε και να δουλέψουμε χριστουγεννιάτικα και σε αργίες. Αλλά όλοι έχουμε τους τρόπους μας να ηρεμούμε. Εγώ ψέλνω. Αυτό με βοηθά να βρίσκω μια ισορροπία, με καλμάρει. Γενικά ασχολούμαι με τη μουσική, παραδοσιακή και βυζαντινή. Και τη γυναίκα μου έτσι τη γνώρισα - τραγουδούσα σε μια εκδήλωση παραδοσιακής μουσικής και εκείνη χόρευε». Στην «ελληνική» συνοικία του Bayswater όλοι τον θυμούνται ως το καλοσυνάτο σοβαρό παιδί με το χαμόγελο και την αγγελική φωνή στο ψαλτήρι της Αγίας Σοφίας.
Η οικογένειά του θυμίζει... μωσαϊκό του ελληνισμού: «Προπάππους Κρητικός, παππούδες Μικρασιάτες, πατέρας Πελοποννήσιος, εγώ γεννημένος στην Αυστραλία, τα παιδιά μου στην Αγγλία». Με την Ελλάδα η σχέση του είναι στενή. «Είμαι περήφανος που είμαι Ελληνας. Αυτό δεν σημαίνει, βέβαια, ότι δεν θαυμάζω και δεν σέβομαι τους άλλους πολιτισμούς. Τηρώ τις παραδόσεις μας, λατρεύω τον εορτασμό του Πάσχα στην Ελλάδα, δεν το χάνω ποτέ. Και στα παιδιά μου, παρά το ότι μεγαλώνουν σε ξένο περιβάλλον, προσπαθώ να περάσω την ελληνική κουλτούρα - τους μιλάμε αυστηρά Ελληνικά». •
ΘΑΝΑΣΗΣ ΓΚΑΒΟΣ
12/5/2014