[논문 리뷰] The dry history of liquid computers

Andrew Adamatzky|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 25.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 19세기부터 현대의 반응-확산 및 방울 기반 시스템에 이르기까지 100년이 넘는 기간 동안 액체 기반 계산 장치의 종합적인 역사적 및 기술적 개요를 제시한다. 유체역학, 화학 반응 및 물리적 상호작용을 통해 액체가 계산의 다용도 기초 자료로 기능하는 방식을 보여주며, 비전자적, 생체 모방적, 에너지 효율적인 계산 아키텍처의 잠재력을 부각한다.

ABSTRACT

A liquid can be used to represent signals, actuate mechanical computing devices and to modify signals via chemical reactions. We give a brief overview of liquid based computing devices developed over hundreds of years. These include hydraulic calculators, fluidic computers, micro-fluidic devices, droplets, liquid marbles and reaction-diffusion chemical computers.

연구 동기 및 목표

• 19세기부터 현재까지 액체 기반 계산 장치의 진화를 기록하고 분석하는 것.
• 유체역학, 화학 반응 및 물리적 상호작용를 통해 액체의 계산 유연성을 입증하는 것.
• 과소 평가된 역사적 프로토타입과 현대의 마이크로플루이딕 시스템을 비전자적 계산의 실현 가능한 플랫폼으로 부각하는 것.
• 유연하고 에너지 효율적이며 생물학적으로 영감을 얻은 계산 시스템을 만들기 위해 액체 기초 자료의 잠재력을 보여줌으로써 향후 연구를 자극하는 것.

제안 방법

• 논문은 연대순의 장치 기반 분류 체계를 사용하여 역사적 및 현대의 액체 계산 장치를 조사한다.
• 수위의 이동을 이용해 대수 방정식을 기하학적 침입을 통해 해결하는 수압 대수 기계를 분석한다.
• 압력과 유량이 풍압 또는 유압 채널 내에서 부울 논리 상태를 나타내는 유체 논리 시스템을 검토한다.
• 반응-확산 컴퓨터를 상세히 기술하며, 벨루소프-자동스키 반응과 같은 자극 가능한 화학 매체에서 파생되는 진행 파면을 이용해 논리 연산을 수행하는 방식을 설명한다.
• 물리적 충돌 또는 방울 간의 화학적 확산을 통해 논리 게이트를 실행하는 드롭렛 및 액체 마루 시스템을 탐구한다.
• 신호 전달이 확산되는 반응물이나 파동 전파를 통해 이루어지는 마이크로플루이딕 및 에멀전 시스템을 검토한다. 이는 BZ 벨로우스, 드롭렛 등 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 컴퓨터의 출현 이전에 액체 기반 시스템은 수학적 및 계산 문제를 어떻게 해결해 왔는가?
• RQ2 액체가 정보를 표현하고 전달하며 처리하는 데 사용하는 물리적 및 화학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 현대의 마이크로플루이딕 및 반응-확산 시스템은 어떤 방식으로 액체 기초 자료를 사용해 신뢰할 수 있는 논리 연산을 달성하는가?
• RQ4 전자 또는 기계적 시스템과 비교했을 때 액체 기반 계산의 장점과 한계는 무엇인가?
• RQ5 액체 기반 시스템은 복잡하고 재구성 가능하며 가역적인 계산 아키텍처로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 1901년의 수압 대수 기계는 파라볼로이드 형체의 몸체 내에서 물의 이동을 이용해 수치의 n제곱근을 계산했으며, 이는 이동된 물의 무게를 원하는 거듭제곱에 맞추어 계산했다.
• 루카얀프의 1936년 수압 적분기와 필립스의 1949년 컴퓨터는 유량과 압력을 이용해 미분 방정식을 해결하고 동적 시스템을 시뮬레이션했다.
• 1949년의 유체 메이퍼는 유량을 이용해 템플릿을 탐색하고 흐름 경로를 시각화함으로써 미로를 해결했다.
• 벨루소프-자동스키(Belousov-Zhabotinsky, BZ) 반응-확산 시스템은 진동파의 상호작용을 통해 도형의 베론로이 다이어그램과 윤곽선을 계산하는 데 성공했다.
• 드롭렛 기반 논리 시스템, 특히 화학적 유도 드롭렛과 압력 구동 드롭렛은 제어된 충돌과 유량을 통해 미로를 해결하고 논리 게이트를 실행했다.
• 에멀전 내의 BZ 드롭렛과 벨로우스는 확산 결합 및 파동 전파를 통해 신호 전달, 메모리 기능, XOR 및 NOR와 같은 부울 논리 게이트를 실행하는 데 성공했다.