Kỷ nguyên máy tính sinh học: Khi nấm hương từ bếp trở thành thành phần điện tử thay thế những con chip silicon đắt đỏ.

Các nhà khoa học Mỹ đã biến điều tưởng như chỉ có trong tiểu thuyết thành sự thật, mở ra một tương lai cho ngành điện tử xanh, với chi phí thấp và hiệu suất vượt trội.

Trong suốt nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp máy tính toàn cầu chủ yếu dựa vào nền tảng silicon. Tuy nhiên, khi nhu cầu về sức mạnh tính toán tăng cao và những lo ngại về môi trường trở nên cấp bách, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những giải pháp thay thế đột phá từ tự nhiên. Một nghiên cứu gần đây đăng trên tạp chí PLOS One đã chỉ ra rằng: nấm, loài thực vật giản dị trong rừng, có thể là chìa khóa cho thế hệ máy tính tiếp theo.

Từ bàn ăn đến bo mạch điện tử

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Bang Ohio (Mỹ) đã thực hiện một thí nghiệm nghe có vẻ kỳ lạ: biến nấm hương (shiitake) và nấm mỡ - những nguyên liệu quen thuộc trong bếp - thành các linh kiện điện tử cao cấp. Họ đã chứng minh rằng hệ thống nấm có thể hoạt động như các "memristor" hữu cơ.

Trong kỹ thuật máy tính, memristor (viết tắt của memory resistor - điện trở bộ nhớ) là một linh kiện có khả năng ghi nhớ các tín hiệu điện đã đi qua, ngay cả khi nguồn điện bị ngắt. Đây là thành phần quan trọng để xây dựng các hệ thống lưu trữ và xử lý thông tin.

Quy trình chế tạo "chip nấm" này bắt đầu bằng việc nuôi cấy các mẫu nấm hương và nấm mỡ. Khi nấm trưởng thành, các nhà khoa học thực hiện quá trình sấy khô để giữ cấu trúc của chúng ổn định lâu dài. Tiếp theo, các đầu dò và dây dẫn được gắn vào các điểm khác nhau trên thân nấm, tạo thành một mạch điện.

John LaRocco, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: "Chúng tôi kết nối dây điện tại các điểm khác nhau vì mỗi phần của cây nấm có đặc tính điện học riêng biệt. Tùy thuộc vào điện áp và cách kết nối, chúng tôi nhận được các hiệu suất hoạt động khác nhau".

Hiệu suất ấn tượng của "bộ não" nấm

Kết quả thu được sau hai tháng thử nghiệm đã khiến giới khoa học kinh ngạc. Khi được sử dụng như RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên), các memristor làm từ nấm có thể chuyển đổi trạng thái điện với tốc độ lên tới 5.850 tín hiệu mỗi giây. Độ chính xác của quá trình này đạt khoảng 90%, một con số rất khả quan đối với vật liệu hữu cơ.

Điều thú vị là cơ chế hoạt động của hệ thống này rất giống với bộ não con người. Nhóm nghiên cứu nhận thấy hiệu suất của nấm giảm khi tần số điện áp quá cao. Tuy nhiên, giống như các nơ-ron thần kinh liên kết để tăng cường khả năng xử lý, các nhà khoa học chỉ cần kết nối thêm nhiều nấm vào mạch điện để khắc phục vấn đề này.

"Khả năng phát triển các vi mạch mô phỏng hoạt động thần kinh thực tế đồng nghĩa với việc thiết bị không tiêu tốn nhiều năng lượng ở chế độ chờ. Đó là một lợi thế kinh tế và tính toán khổng lồ", LaRocco nhận định.

Giải pháp xanh cho cơn khát công nghệ

Sự ra đời của máy tính nấm không chỉ là một bước tiến về kỹ thuật mà còn là một giải pháp cho bài toán môi trường hóc búa. Ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay phụ thuộc vào các khoáng sản đất hiếm - tài nguyên hữu hạn với quy trình khai thác gây ô nhiễm nghiêm trọng. Bên cạnh đó, rác thải điện tử từ các chip silicon hỏng đang trở thành gánh nặng toàn cầu.

Ngược lại, nấm là một vật liệu có thể phân hủy sinh học hoàn toàn. Chúng dễ trồng, chi phí thấp và không cần đến những nhà máy tốn kém hay các trung tâm dữ liệu tiêu tốn năng lượng lớn để sản xuất.

Qudsia Tahmina, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Bang Ohio, đồng tác giả nghiên cứu, nhấn mạnh: "Xã hội ngày càng nhận thức rõ về nhu cầu bảo vệ môi trường. Đó chính là động lực thúc đẩy những ý tưởng thân thiện sinh học như thế này. Công nghệ hoàn toàn có thể tiến bộ vượt bậc khi dựa vào thế giới tự nhiên".

Tương lai của điện toán nấm

Mặc dù kết quả ban đầu rất hứa hẹn, các nhà nghiên cứu thừa nhận công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm. Thách thức lớn nhất hiện nay là kích thước. Để có thể thương mại hóa và thay thế chip silicon trong các thiết bị hiện đại, các memristor nấm cần phải thu nhỏ lại nhiều lần.

Tuy nhiên, tiềm năng ứng dụng của nó là vô hạn. Các hệ thống nấm quy mô lớn có thể được sử dụng trong điện toán biên (edge computing) hoặc thám hiểm vũ trụ, nơi việc tự sản xuất và tái chế linh kiện là rất quan trọng. Các phiên bản nhỏ hơn có thể được tích hợp vào thiết bị đeo thông minh hoặc các hệ thống tự hành.

John LaRocco kết luận một cách lạc quan: "Mọi thứ bạn cần để bắt đầu khám phá máy tính nấm có thể chỉ nhỏ gọn như một đống phân ủ trong vườn với vài linh kiện tự chế, hoặc có thể lớn như một nhà máy nuôi cấy quy mô công nghiệp. Tất cả đều khả thi với những nguồn lực chúng ta đang có ngay trước mắt".

Có thể trong tương lai gần, khi máy tính của bạn bị hỏng, thay vì vứt nó ra bãi rác, bạn chỉ cần chôn nó xuống vườn và để thiên nhiên hoàn thành phần việc còn lại.