Παρασκευή, 30 Οκτωβρίου 2009

Ζητείται μνήμη για ανθρώπους και συσκευές.

ΤΑΣΟΣ ΚΑΦΑΝΤΑΡΗΣ

ΤΟ ΒΗΜΑ , 06-03-2005

Κάποτε η ζωή εξαρτιόταν από τη χωρητικότητα του κελαριού με τα τρόφιμα. Τώρα, στην Κοινωνία της Πληροφορίας το μέλλον μας εξαρτάται από τη χωρητικότητα των συσκευών. Τι μπορεί να θυμάται ο υπολογιστής μας, το κινητό μας τηλέφωνο ή το δικτυωμένο ψυγείο μας: Φαίνεται ότι η λύση του μείζονος προβλήματος αποθήκευσης των δεδομένων βρίσκεται στις θαυματουργές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα. Για τους ίδιους τους ανθρώπους προέχει η διατήρηση της μνήμης τους, αλλά η επέκτασή της θα έλθει πάλι από τις συσκευές.

Σε χαμηλή θερμοκρασία οι νανοσωλήνες δεν πολώνονται μαγνητικά προς μια κατεύθυνση αλλά περιστρέφονται σε δίνη, χωρίς να επιδρούν ισχυρά ο ένας στον άλλον. Θεωρητικά αυτό επιτρέπει ως και χιλιαπλάσια χωρητικότητα μνήμης από όση περιμέναμε!

Με όλη αυτή την πίεση των πληροφοριών που μας κατακλύζουν καθημερινά δεν είναι διόλου άσχετη η υιοθέτηση από σχεδόν όλους μας συσκευών που ενισχύουν τη μνήμη. Κινητά τηλέφωνα, ηλεκτρονικές ατζέντες, υπολογιστές τσέπης, φορητοί υπολογιστές και υπολογιστές στο γραφείο και στο σπίτι, ηχοσυσκευές με λίστες στη μνήμη τους... όλα τα αγοράζουμε και τα χρησιμοποιούμε με σημαντικό κριτήριο το «πόσα θυμούνται για λογαριασμό μας». Αλλά η απαίτησή μας να είναι ελαφρά, φορετά πάνω μας, παντού και πάντα, ει δυνατόν αδιόρατα και ανεπαίσθητα, δεν συμβαδίζει με την απαίτηση για «μνήμη ελέφαντα». Οσο μικραίνουν και λεπταίνουν οι συσκευές, τόσο τα κυκλώματα μνήμης τους ασφυκτιούν. H περαιτέρω σμίκρυνσή τους σκοντάφτει στις δυνατότητες της μικροηλεκτρονικής, στο υψηλό κόστος, στα προβλήματα τροφοδότησης και υπερθέρμανσης.

Τα προβλήματα αυτά είχε κατά νου ο καθηγητής Νανοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ των ΗΠΑ, Charles Μ. Lieber, όταν ζήτησε από έναν φοιτητή του, το 1998, να σχεδιάσει μια ριζικά καινούργια μνήμη υπολογιστών. Ο περιορισμός που έθεσε στον γερμανικής καταγωγής Thomas Rueckes ήταν τα στοιχεία εγγραφής και ανάγνωσης της νέας μνήμης να είναι μικρότερα από 10 δισεκατομμυριοστά του μέτρου (10 νανόμετρα).

Το μόνο υλικό που επιτρέπει μια τέτοια μικροκατασκευή είναι τα καταπληκτικά τριχίδια άνθρακα που ανακαλύφθηκαν το 1991 και φτιάχνονται τεχνητά, οι λεγόμενοι «νανοσωλήνες άνθρακα». H δομή τους μοιάζει με διάτρητους κυλίνδρους γραφίτη, σαν από κοτετσόσυρμα. Είναι σκληροί σαν διαμάντι, ανθεκτικοί στην έλξη ως και 100 φορές περισσότερο από ατσάλι και έχουν εξαίρετη ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά, μεταλλασσόμενοι από αγωγούς σε ημιαγωγούς. Πώς όμως θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε ένα μικροκύκλωμα πυριτίου, σαν αυτά που απαρτίζουν τους τωρινούς μικροεπεξεργαστές και τις μνήμες τους;

Θολωμένος από τις σκέψεις, ο Rueckes έκανε ένα διάλειμμα φαγητού και βγήκε από το εργαστήριο για να πάει στην κοντινή πιτσαρία. Στον δρόμο του πέρασε μπροστά από το μουσειακό έκθεμα του Χάρβαρντ, τον δεινόσαυρο των υπολογιστών, τον Mark-1. Θωρώντας το τεράστιο «ντουλάπι», ο Rueckes θυμήθηκε ότι για μνήμη χρησιμοποιούσε μηχανικά ρελέ, που άλλαζαν θέση. Τότε του ήρθε η ιδέα: θα καταχωρούσε τα ψηφιακά στοιχεία στη μνήμη (το 0 και το 1) με κάμψη των νανοσωλήνων, άλλοτε προς τα πάνω και άλλοτε προς τα κάτω! Δεχόμενοι μια ηλεκτρική τάση, οι νανοσωλήνες θα μπορούσαν να κάμπτονται προς τα κάτω, έως ότου ακουμπήσουν σε άλλους νανοσωλήνες ή ηλεκτρόδια. Ακόμη και όταν διακοπεί η παροχή τάσης, οι νανοσωλήνες μπορούν να διατηρούν την κάμψη τους (θυμούνται).

Ενα αντίστροφο ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να τους επαναφέρει στην προηγούμενη θέση. Επειτα από δύο μόλις ημέρες ο Rueckes είχε γράψει την πρότασή του, την οποία ο Lieber υπέβαλε στο πρόγραμμα ερευνών του Πενταγώνου (το DARPA), και έλαβε έγκριση χρηματοδότησης την επόμενη μέρα! Θεωρητικά, η λύση του Rueckes έμοιαζε τέλεια. Οι νανοσωλήνες παρείχαν την ταχύτητα μιας στατικής μνήμης (SRAM), το χαμηλό κόστος κατασκευής μιας δυναμικής μνήμης (DRAM) και την άμεση ενεργοποίηση μιας μνήμης φλας, κατανάλωναν πολύ λιγότερη ενέργεια και ανέχονταν αφάνταστα υψηλά επίπεδα ζέστης, κρύου ή μαγνητικού πεδίου.

Επίσης, στα σχέδια τουλάχιστον, το απειροστικό μέγεθός τους επέτρεπε τη δημιουργία μικροκυκλωμάτων που θα χωρούσαν εκατοντάδες δισεκατομμύρια μονάδων πληροφορίας (Gigabit), ίσως και τρισεκατομμύριο (Terabit). Στην πράξη, όμως, έμεναν να λυθούν πολλά τεχνικά προβλήματα και, κυρίως, να αποδειχθεί η δυνατότητα βιομηχανικής παραγωγής.

Τελειώνοντας τις σπουδές του, το 2001, ο Rueckes συνέπηξε εταιρεία με έναν ακόμη απόφοιτο του Χάρβαρντ και έναν επιχειρηματία του Διαδικτύου, την οποία ονόμασαν «Nantero» (από το Nano και το Tera). Στην αρχή εργάστηκαν σχεδόν μυστικά, για να λύσουν ένα βασικό πρόβλημα των νανοσωλήνων: αυτοί που διατίθενται στο εμπόριο έχουν πρόσμειξη σιδήρου κατά 5% περίπου.

Στα αποστειρωμένα εργοστάσια κατασκευής μνημών, μια τέτοια «μόλυνση» θα ήταν απαράδεκτη. Ανέπτυξαν λοιπόν μια διαδικασία φιλτραρίσματος που περιόρισε την πρόσμειξη σιδήρου στο επίπεδο σωματιδίων ανά εκατομμύριο. Επειτα έπρεπε να λύσουν το πρόβλημα ενσωμάτωσης των νανοανθράκων στη διαδικασία φωτολιθογραφικής χάραξης των μικροκυκλωμάτων. Αν χρησιμοποιούσαν ατμό για την εναπόθεση των νανοσωλήνων στο κύκλωμα, θα χρειάζονταν τόσο υψηλές θερμοκρασίες που θα κατέστρεφαν τα γειτονικά κυκλώματα. Αν κατέφευγαν στη χρήση γνωστών διαλυτικών, θα χρειάζονταν χημικά τόσο τοξικά που είχαν απαγορευθεί από τα υπάρχοντα εργοστάσια. Κατέληξαν στο να αναπτύξουν το δικό τους διαλυτικό.

Το 2003 οι απανωτές αιτήσεις για διπλώματα ευρεσιτεχνίας της Nantero (60 τον αριθμό) τράβηξαν την προσοχή ενός μεγάλου κατασκευαστή τηλεπικοινωνιακών κυκλωμάτων, της LSI Logic. Προσφέρθηκε να βοηθήσει τη Nantero να φέρει σε γραμμή παραγωγής τη νανοσωλήνεια μνήμη της, τη λεγόμενη NRAM (Nanotube Random-Access Memory). Μέσα σε μόλις εννέα μήνες είχαν ένα πρωτότυπο στα χέρια τους. Επειτα βάλθηκαν να διαπιστώσουν την επαναληπτικότητα της διαδικασίας, τη δυνατότητα δηλαδή να έχουν αξιόπιστο μαζικό βιομηχανικό προϊόν. Στο μεταξύ, μία ακόμη εταιρεία έσπευσε να συνδράμει στην προσπάθεια της Nantero, η ΒΑΕ Systems. H συγκεκριμένη εταιρεία ενδιαφέρεται να ενσωματώσει μια ανθεκτική σε ακτινοβολίες μνήμη στα συστήματα που κατασκευάζει για τον στρατό και την αεροπορία.

Ενόσω η Nantero και οι συνεργάτες της κάνουν αγώνα δρόμου για να εμφανίσουν εμπορικό προϊόν ως το τέλος του έτους, τριάντα τουλάχιστον ακόμη επιχειρήσεις και πανεπιστήμια διεθνώς αποδύονται σε ανάλογη κούρσα νανοτεχνολογίας. Αλλοι, όπως η Nano-Proprietary Inc. και το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Οστιν, στοχεύουν στις νανομνήμες. Αλλοι, όπως η IBM, ποντάρουν στους μικροεπεξεργαστές με έλεγχο της στροφορμής (spintronics). Μια πρόσφατη ανακοίνωση του Πανεπιστημίου του ʼρκανσο (στις 13 Δεκεμβρίου 2004) υπερθέρμανε το τοπίο: βρήκαν ότι σε χαμηλή θερμοκρασία οι νανοσωλήνες δεν πολώνονται μαγνητικά προς μια κατεύθυνση αλλά περιστρέφονται σε δίνη, χωρίς να επιδρούν ισχυρά ο ένας στον άλλον.

Θεωρητικά, αυτό επιτρέπει ως και χιλιαπλάσια χωρητικότητα μνήμης από όση περιμέναμε! Εν κατακλείδι, όλοι πλέον θεωρούν ότι από το 2007 και μετά η τεχνολογία των συσκευών πληροφορικής θα έχει αλλάξει ριζικά. Κατά την αναλύτρια αγοράς NanoMarkets, η παγκόσμια αγορά νανοηλεκτρονικών θα έχει ως το 2007 πωλήσεις ύψους 10,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων και έως το 2011 θα έχει φθάσει τα 82,5 δισεκατομμύρια δολάρια!

Στην πρώτη φάση υποκατάστασης των κλασικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων αναμένεται να δούμε κινητά τηλέφωνα, ΜΡ3όφωνα και υπολογιστές τσέπης να χρησιμοποιούν τις νανομνήμες. Αμέσως μετά θα τις δούμε στους υπολογιστές μας, οι οποίοι θα «ανοίγουν» με ετοιμότητα - χωρίς να χρειάζεται να διαβάσουν το λειτουργικό σύστημα από τον δίσκο.

Επακόλουθο θα είναι ακόμη και αυτή η εξάλειψη των σκληρών δίσκων που έχουμε σήμερα, ίσως και των CD και DVD. Επειτα από το 2011... μην ξαφνιαστείτε αν δείτε κόσμο να κυκλοφορεί γύρω σας με ένα εμφύτευμα μνήμης κολλημένο πίσω από το αφτί!


H αρχή και το τέλος του εγκεφάλου μας.

Οσον αφορά τις συσκευές, η μνήμη είναι θέμα ηλεκτρομαγνητισμού. Τι συμβαίνει όμως στους έμβιους οργανισμούς και δη στους ανθρώπους; Οι επιστήμονες που διερευνούν το θέμα - οι καλούμενοι και «νευροεπιστήμονες» - έχουν ήδη μάθει πολλά για τη λειτουργία της, αλλά και ανακαλύπτουν καθημερινά νέα μυστήρια. Καταρχήν είναι εκπληκτικό το πότε αρχίζει η μνήμη: αν πάρεις ένα μοσχάρι που γεννήθηκε από κοπάδι που ζούσε περιφραγμένο και το πας σε διάβαση πεζών (με γραμμές στο οδόστρωμα) δεν θα περάσει απέναντι, ακόμη και όταν το ίδιο δεν έχει αντικρίσει ποτέ φράκτη! Παρόμοια, αν βάλεις ένα κοτόπουλο στο κλουβί ενός γερακιού, θα προσπαθήσει απελπισμένα να ξεφύγει, μολονότι δεν έχει ξαναδεί τον αρχέγονο εχθρό του. Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι το πείραμα με σκουλήκι πλατυέλμυνθα: οι επιστήμονες του προξενούν ηλεκτροσόκ κάθε φορά που το εκθέτουν σε φως. Το σκουλήκι μαθαίνει να αποφεύγει το φως - πιστό στον νόμο του Παβλόφ. Το κόβουν στα δύο, οπότε αυτό αναπαράγεται. Θαυμαστά, το τμήμα του κεφαλιού συμπληρώνεται με ουρά, ενώ εκείνο της ουράς με κεφάλι. Ακόμη πιο θαυμαστά όμως, το δεύτερο σκουλήκι αποφεύγει εξίσου το φως με το πρώτο! Μα, αν η μνήμη εδρεύει στον εγκέφαλο - όπως διαβεβαιώνουν όλοι οι νευροχειρουργοί - πώς μπορεί ένας νεογέννητος εγκέφαλος να θυμάται πράγματα που δεν έχει ζήσει; Μήπως αυτό που ονομάζουμε ένστικτο είναι μια μνήμη που φθάνει σε μας με μια γονιδιακή διαδικασία;

H σκέψη ότι στα γονίδιά μας βρίσκονται κρυμμένες μνήμες πρωτοεπαληθεύθηκε στη δεκαετία του '50, με τα πειράματα του Wilder Penfield. Οι «νευρεπιστήμονες» κατόρθωσαν τα επόμενα χρόνια να διακριβώσουν ότι ο εγκέφαλός μας διαχωρίζει τις μνήμες σε προσωρινές και σε μόνιμες. H διαφοροποίηση γίνεται χημικά, με το να σκληραίνουν προσωρινά ή μόνιμα οι μεταξύ των νευρώνων συνδέσεις, οι επονομαζόμενες «συνάψεις». Ωστόσο η διατήρηση αυτής της μόνιμης μνήμης είναι δυσεξήγητη: το σύνολο σχεδόν των εγκεφαλικών κυττάρων, ακόμη και εκείνων των συνάψεων που χτίζουν τη μνήμη, αντικαθίσταται κάθε λίγες εβδομάδες. Πού βρίσκεται λοιπόν η μνήμη;

H πιο πρόσφατη εξήγηση είναι ότι το αποθετήριο μνήμης είναι το DNA. Είναι η μήτρα απ' όπου κάνει «αναλήψεις» η φύση για την αναπαραγωγή, μια μήτρα σταθερή στον χρόνο, χωρίς τις αλλαγές που συμβαίνουν στα άλλα μόρια, και διαθέτει ακόμη και μηχανισμό αυτοεπισκευής, αν κάτι πάει στραβά. Οι θιασώτες αυτής της θεωρίας (όπως η νευροβιολόγος Sandra Pena de Ortiz) λένε ότι το DNA των νευρώνων μας δημιουργεί «μόρια μνήμης» - νέες πρωτεΐνες - βάσει σχεδίου που αναπροσαρμόζεται σε κάθε νέα εμπειρία. Αυτά τα μόρια είναι που καταγράφουν ίσως τις μνήμες μας.

H θεώρηση μοιάζει ριζοσπαστική, αλλά συμφωνεί απόλυτα με τον κανόνα ότι η φύση επιλέγει πάντα την απλούστερη λύση. Γνωρίζουμε ήδη ότι υπάρχουν τρία είδη μνήμης στη φύση: η εξελικτική μνήμη (του πώς δημιουργείται ένας οργανισμός), η ανοσοποιητική μνήμη (των ασθενειών που έχουμε υποστεί) και η γνωσιακή μνήμη (των γεγονότων που έχουμε γνωρίσει). Εφόσον οι δύο πρώτες εδρεύουν στο DNA μας, γιατί όχι και η τρίτη;

Βεβαίως κάτι τέτοιο συνεπάγεται ότι είμαστε ουσιαστικά... αθάνατοι: ο καθένας μας καταγράφει τις εμπειρίες του στο γονιδίωμα που κληροδοτεί στους απογόνους του, μαζί με το 40% των φυσιολογικών χαρακτηριστικών που γνωρίζουμε ότι είναι κληρονομικά. Κατά κάποιον τρόπο, αυτό αποτελεί τη δικαίωση του Carl Young και της θεωρίας του για το συλλογικό ασυνείδητο της ανθρωπότητας. Αν όμως όλοι έχουμε κρυμμένους μέσα μας τον Μεγαλέξανδρο, τον Ιούλιο Καίσαρα, το Ναπολέοντα ή τον Χίτλερ, μήπως έτσι εξηγείται και η ικανότητα κάποιων μέντιουμ να ανασύρουν μνήμες άλλων ανθρώπων από το παρελθόν;

Μια επίσης πρόσφατη έρευνα - της Elizabeth Young, από το Πανεπιστήμιο Princeton των ΗΠΑ - ανέτρεψε και μιαν άλλη επιστημονική πεποίθηση: θεωρούσαμε ότι γεννιόμαστε με μια τεράστια περίσσεια εγκεφαλικών κυττάρων. Καθώς προσαρμοζόμαστε στο περιβάλλον μας, τα κύτταρα που διεγείρονται από τις εμπειρίες μας δυναμώνουν, ενώ εκείνα που παραμένουν αδρανή ατροφούν. Ως εδώ, σωστά. Ωστόσο πιστεύαμε ότι αυτή ήταν η όλη «πνευματική προίκα μας». H Young απέδειξε ότι το μυαλό μας δημιουργεί νέα κύτταρα, ανταποκρινόμενο στις νέες μαθησιακές εμπειρίες.

Ας μη φοβόμαστε λοιπόν τη συσσώρευση γνώσης. Είναι όχι μόνο ο πραγματικός πλούτος μας, καταπώς έλεγε ο Σωκράτης, αλλά και ο πλούτος που μεταγγίζουμε στα παιδιά μας. Κάποτε θα τον βρουν.

Δεν υπάρχουν σχόλια: