We współczesnych urządzeniach znajdują się już pojedyncze elementy takich rozwiązań. Przyzwyczailiśmy się na przykład do szkła firmy Corning w wielu smartfonach i tabletach, które jest odporne na rysy i pękanie, ale jednak nie leczy się samo – w przeciwieństwie do nowego G Flex projektu LG: jego tylna strona została powleczona specjalnym lakierem, który niczym za pomocą czarodziejskiej różdżki sam naprawia zarysowania. W zależności od głębokości dzieje się to natychmiast albo trzeba poczekać kilka godzin. Ale to tylko drobiazgi w porównaniu z bardziej złożoną strukturą materiałową kabli czy akumulatorów. Bo ich samoczynne leczenie jest przedmiotem aktualnych badań.
Nowe materiały, chipy i software
Programiści od dość dawna implementują w oprogramowaniu funkcje naprawcze. Również Windows ma funkcję odtwarzania systemu i można go łatwo przywrócić do stanu fabrycznego. Tylko że to są późniejsze środki zaradcze – współczesnym systemom operacyjnym brak wbudowanego samoleczenia. Trwają właśnie prace koncepcyjne nad komputerami, które rozpoznają i usuwają błędy w systemie. Na początku trzeba jednak sprostać nie lada wyzwaniu – mowa o naprawie uszkodzonych podzespołów komputerowych takich jak chipy, przewody i tranzystory. Tutaj da się zaobserwować już bardzo obiecujące początki, które zaprezentujemy.
Chipy, które już się nie psują
Chipy komputerowe są zbudowane z szeregu mikrościeżek przewodzących podłączonych do tranzystorów. Nawet najmniejsze uszkodzenie, jak dajmy na to przetopiona droga przewodzenia, sprawia, że chip staje się bezużyteczny. Można temu przeciwdziałać na dwa sposoby: naprawić błąd albo w razie potrzeby obejść uszkodzone komponenty.
Właśnie tę drugą koncepcję wybrali badacze z California Institute of Technology (Caltech). Do swojej koncepcji samoleczenia naukowcy wybrali wzmacniacz sygnału stosowany w czujnikach ruchu albo komunikacji satelitarnej i zbudowany z około 100 000 tranzystorów. Mózgiem układu jest specjalny obwód zintegrowany (ASIC) umieszczony na tym samym chipie co wzmacniacz, odpowiedzialny za funkcje samoleczenia. Zarządzający nimi algorytm na bieżąco kontroluje stan chipa i jego elementów składowych. Dane wejściowe otrzymuje od wielu sensorów wbudowanych w układ, które sprawdzają siłę sygnału, temperaturę i wartości zasilania. Aby uporać się również z większymi uszkodzeniami, potrzebne było jednak wbudowanie dodatkowych elementów. I tak w chipie znajdują się dwa równolegle połączone stopnie wzmacniacza. Jeśli coś pójdzie nie tak i nastąpi awaria układu, algorytm po prostu rozdzieli zadania pomiędzy nieuszkodzone podzespoły. Szybkości taktowania układu wynoszą od 50 do 200 MHz i “leczy się” on tym samym z różną szybkością – proces trwa odpowiednio od 0,8 do 0,2 sekundy.
Regeneracja za pomocą kapsułek i impulsów
Na razie brak jest mechanizmu naprawiającego w pełni uszkodzone tranzystory, ale badacze z Beckman Institute na Uniwersytecie Illinois opracowali mechanizm samoleczenia ścieżek przewodzących chipów za pomocą mikrokapsułek. Kapsułki o wielkości dziesięciu mikrometrów w polimerowych powłokach zawierają, płynny w temperaturze pokojowej (od 16 oC), metaliczny stop galu i indu. Kapsułki nakładane są na ścieżkę w warstwie z żywicy epoksydowej. Kiedy powstanie pęknięcie, dojdzie do otwarcia znajdującej się ponad nią mikrokapsułki, płynny stop wsunie się w szczelinę i ją wypełni. W 99 proc. wszystkich przypadków już po 20 mikrosekundach przez uszkodzony obwód znów płyną elektrony.
Komórki flash w konsumenckich dyskach SSD i smartfonach można zapisywać ok. 10 000 razy, później ich żywot dobiega końca. Słabym punktem komórki flash jest bramka pływająca, czyli warstwa, w której komórka przechowuje elektrony. Aby ładunek elektryczny po prostu nie zniknął, floating gate otoczona jest warstwą tlenku. Za każdym razem, kiedy przyłożone napięcie wprowadza albo wyprowadza elektrony przez bramkę, ubywa również część warstwy tlenku. Po pewnym czasie stanie się ona zbyt cienka i bramka nie będzie już dalej działać prawidłowo. Od dłuższego czasu wiadomo, że ubytki w warstwie tlenku naprawia wysoka temperatura. W tym celu należałoby przez dłuższy czas rozgrzać SSD do 250oC – licząc się przy tym z możliwością jego zniszczenia. Projektanci z firmy Marconix zamiast tego wbudowali specjalne podgrzewacze bezpośrednio do każdej komórki flash. Wykorzystując krótki impuls elektryczny, rozgrzewają one do 800oC znajdujące się pod nimi bramki i regenerują warstwę tlenku. W ten sposób da się wydłużyć żywotność komórek flash na tyle, że najprawdopodobniej nie popsują się za życia nabywcy SSD.
Materiały, które same się leczą
W wielu dziedzinach trwają badania nad samoleczącymi się materiałami – od medycyny po lotnictwo. O ile wyniki w dziedzinie metali i ceramiki są skromne, o tyle materiały bazujące na węglu w formie polimerów dostarczają obiecujących rezultatów. Naniesione w postaci powłoki lub warstwy polimery zamykają pęknięcia i rysy w innych materiałach. I wreszcie leczą się same, dokładnie scalając substancję, do której są dodane. W formie mikrokapsułek transportują metale do odpowiednich miejsc, gdzie są uszkodzenia (patrz poprzednia strona), rozłamują się tam i uwalniają metal ze swojej powłoki. Ale działają także jako tarcza ochronna: jeśli zewnętrzny czynnik rozerwie je na pojedyncze molekuły, samoleczące polimery znów się połączą – albo przez mostki wodorkowe, albo wskutek wzajemnych oddziaływań jonowych. Warunkiem jest, aby łańcuchy molekuł w miejscu uszkodzenia pozostawały swobodnie ruchome, a luka pomiędzy nimi nie była zbyt duża.
Do ochrony powierzchniowej od kilku lat stosuje się samoleczące polimery takie jak polirotaksan (patrz po prawej stronie). Najnowszym przykładem jest smarfton G Flex firmy LG. Jego elastyczną obudowę otoczono warstwą ochronną, która powoduje, że małe rysy zrobione na przykład kluczami znikają w ciągu kilku minut. Ta procedura jest inicjowana ciepłem – pomaga więc potarcie uszkodzenia palcem. LG milczy na temat dokładnego przebiegu zachodzących tam procesów chemicznych. Prawdopodobnie materiał bazuje na superpolimerze SeRM A1000 japońskiej firmy Advanced Softmaterials. Jest on stosowany od lat w odpornym na rysy lakierze, którym swoje samochody pokrywa Nissan.
Niezniszczalny polimer terminator
Nowoczesne polimery idą o krok dalej: z powrotem łączą się ze sobą, kiedy się je rozdzieli – i to bez wykorzystania katalizatora takiego jak ciepło. Hiszpańscy naukowcy z CIDETEC (Centre for Elecrochemical Technologies) stworzyli polimer terminator, którego struktura molekularna utrzymywana jest przez mostki dwusiarczkowe. Te przy cięciu są rozdzielane, ale jeśli oba końce znów się ze sobą złączy, to ponownie odtworzą się mostki pomiędzy atomami siarki. Opisywany polimer w połączeniu z płynnym stopem indu i galu stosowanym jak przewodnik elektryczny daje w rezultacie samoleczący się kabel. Opracowali go badacze z Uniwersytetu Karoliny Północnej. Kiedy kabel zostanie rozcięty, płynny metal stwardnieje na jego końcach. Kiedy znów złączy się kabel, to tworzywo
sztuczne i metal połączą się ze sobą, jak gdyby nic się nie stało.
Samoleczenie jest czymś więcej niż celem samym w sobie: wydajniejsze akumulatory bez wbudowanej technologii naprawy nie wytrzymają długo. W akumulatorach litowo-jonowych jako materiał nośny do magazynowania litu doskonale nadałby się krzem. Pojemność baterii wzrosłaby dziesięciokrotnie. Ale objętość anody podczas ładowania wzrasta aż trzykrotnie przez połączenia litowo-krzemowe (Li15Si4 albo Li21Si5), a przy rozładowywaniu kurczy się do normalnego rozmiaru. W efekcie pęka wtedy warstwa krzemu, w której zmagazynowany jest lit. Badacze z Uniwersytetu Stanforda połączyli krzem z samoleczącą się powłoką polimerową zmiksowaną z cząstkami grafitu, która zamyka powstałe pęknięcia
Systemy, które się nie zawodzą
Nowoczesne systemy operacyjne opierają się na ponad 40-letnich pryncypiach. Ich programy składają się – mówiąc w dużym uproszczeniu – z szeregu poleceń, które bazują na sobie i są po sobie wykonywane. Taki model listy poleceń z ledwością wykorzystuje potencjał wielordzeniowych CPU. Równie niewydajnie systemy obchodzą się z malware’em: współczesne systemy operacyjne mają wprawdzie mechanizmy zabezpieczające, jak np. skanery antywirusowe, ale te wkraczają do akcji często dopiero wtedy, kiedy system jest już uszkodzony. Programy z wbudowaną autokorektą potrzebują fundamentalnie innej koncepcji. Badacze tacy jak Peter Bentley z University College London wzorują się na przyrodzie. – Procesy naturalne przebiegają w sposób zdecentralizowany, z tolerancją dla błędów, i z możliwością samoleczenia – mówi Bentley. – Komputer również powinien to potrafić.
Programy, które wykluczają błędy
Idea Systemic Computing (SC) odrzuca model listy. Zamiast tego program SC składa się z dowolnie wielu systemów, które łączą się ze sobą. Każdy system zawiera trzy podstawowe elementy: dwa wejścia danych i jeden kernel, który przeprowadza obliczenia i działa jako data ouptut. Dlatego każdy system można wykorzystać jako wejście danych dla kolejnego systemu. Pod tym względem program SC przypomina rosyjską lalkę matrioszkę, która zwiera wiele mniejszych wersji samej siebie. Systemy wykonywane są tak równolegle, jak to możliwe, więc pełne ich zawieszenie praktycznie nie może mieć miejsca. Do tego dochodzi wiele mechanizmów opracowanych na wypadek, gdyby system popełnił błąd: identyczne kopie, które system korekcji może sprawdzić oraz odrzucić. Można również zdefiniować obszary ważności systemów. Systemic Computing na początku najpewiej znajdzie zastosowanie w systemach komunikacyjnych albo w lotach kosmicznych, gdzie błędy mogą mieć śmiertelne konsekwencje.
Z perspektywy przeciętnego użytkownika sens mają jednak nawet małe, proste kroki ku samonaprawie. HP Sure Stat – funkcja naprawy BIOS-u – jest elementem zamykającym dużą lukę we współczesnej architekturze bezpieczeństwa. HP wyposaża w tę technologię biznesowe serie notebooków EliteBook czy ZBook. Notebooki zapisują kopię oryginalnego BIOS-u oraz dane z rekordu rozruchowego dysku we własnej pamięci. Jeśli te podstawowe komponenty systemu zostaną na przykład zainfekowane przez malware, to można je łatwo odtworzyć i naprawić. Z kolejnym problemem mierzy się Brendan Eich, szef działu technologicznego w Mozilli. Chce zaimplementować do opensource’owej przeglądarki Firefox weryfikację źródeł. Ta ma wykluczyć zmanipulowanie kodu źródłowego na przykład przez agencje wywiadowcze takie jak NSA. Również amerykański rząd wspiera prace nad samoleczącym się oprogramowaniem. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) wezwała w końcu roku 2013 do Cyber Grand Challenge, narodowego współzawodnictwa w opracowywaniu samoleczących się systemów, które muszą przetrwać również malware’owe ataki. DARPA w pierwszej rundzie udostępni szereg niebezpiecznych plików wykonywalnych, w których programy uczestników mają znaleźć i usunąć błędy. Najpóźniej w rundzie finałowej w roku 2016samoleczenie ma przebiegać w sposób zintegrowany.