Os cientistas desenvolveram um novo tipo de dispositivo nanoeletrônico que poderia reduzir significativamente a quantidade de energia consumida pelos sistemas de inteligência artificial. A invenção funciona copiando a forma como o cérebro humano processa informações, oferecendo uma alternativa mais eficiente ao atual hardware de IA, que consome muita energia.
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Cambridge desenvolveu uma versão modificada do óxido de háfnio que atua como um “memristor” altamente estável e de baixa potência – um material projetado para replicar como os neurônios no cérebro se conectam e se comunicam. Suas descobertas são publicadas na revista A ciência avança.
Por que os sistemas atuais de IA usam tanto poder
A IA moderna depende de chips de computador tradicionais que transferem dados constantemente entre a memória e as unidades de processamento. Estas transferências de ida e volta requerem grandes quantidades de eletricidade, e a procura continua a crescer à medida que a IA se torna mais amplamente utilizada em todas as indústrias.
A computação neuromórfica oferece uma abordagem diferente. Em vez de separar memória e processamento, integra os dois em um, a forma como o cérebro funciona. Esta abordagem pode reduzir o consumo de energia em até 70% e permite que os sistemas aprendam e se adaptem de forma mais natural.
“Um dos principais desafios do hardware de IA atual é o consumo de energia”, disse o autor principal, Dr. Babak Bakhit, do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia de Cambridge. “Para lidar com isso, você precisa de dispositivos com correntes extremamente baixas, excelente estabilidade, ciclos de comutação e dispositivos com excelente uniformidade e capacidade de alternar entre muitos estados distintos.”
Uma nova abordagem para projeto de memristores
A maioria dos memristores existentes funciona formando minúsculos filamentos condutores dentro de um material de óxido metálico. Esses filamentos se comportam de maneira irregular e muitas vezes requerem altas tensões, o que limita sua praticidade para computação em larga escala.
Os pesquisadores de Cambridge seguiram um caminho diferente. Eles desenvolveram um filme fino à base de háfnio que muda de estado por meio de um processo mais controlado. Ao adicionar estrôncio e titânio e usar um processo de crescimento em duas etapas, eles criaram pequenas portas eletrônicas conhecidas como “junções pn” na interface entre as camadas.
Em vez de depender da fabricação e quebra do filamento, o dispositivo altera sua resistência ajustando a barreira de energia nesta interface. Isso permite uma comutação mais suave e confiável.
Bakhit, que também está associado ao departamento de engenharia de Cambridge, explicou que este projeto resolve um grande problema no desenvolvimento de memristores. “Dispositivos filamentares sofrem de comportamento aleatório”, disse ele. “Mas como nossos dispositivos trocam de interface, eles mostram uma uniformidade notável de ciclo para ciclo e de dispositivo para dispositivo.”
Potência ultrabaixa e aprendizagem semelhante à do cérebro
Os testes mostraram que os novos dispositivos operam com corrente de comutação cerca de um milhão de vezes menor do que alguns memristores convencionais à base de óxido. Eles também podem atingir centenas de níveis de condutividade estáveis, essenciais para a computação analógica “na memória”.
Em testes de laboratório, os dispositivos permaneceram estáveis durante milhares de ciclos de comutação e mantiveram o estado programado por cerca de um dia. Eles também demonstraram comportamentos-chave de aprendizagem biológica, incluindo a plasticidade dependente do tempo de pico: processos que permitem que os neurônios fortaleçam ou enfraqueçam suas conexões com base no tempo.
“Esses são os recursos que você precisa se quiser um hardware que possa aprender e se adaptar, em vez de apenas armazenar bits”, disse Bakhit.
Restantes desafios e perspectivas futuras
Apesar dos resultados promissores, ainda existem obstáculos a serem superados. Os processos de fabricação atuais exigem temperaturas de cerca de 700 graus Celsius – mais altas do que a fabricação padrão de semicondutores normalmente permite.
“Este é atualmente o principal desafio no nosso processo de fabricação de dispositivos”, disse Bakhit. “Mas agora estamos trabalhando em maneiras de baixar a temperatura para torná-la mais consistente com os processos industriais padrão”.
Se este problema puder ser resolvido, a tecnologia poderá ser integrada em sistemas práticos em escala de chip. “Se conseguirmos baixar a temperatura e colocar estes dispositivos num chip, isso seria um grande passo em frente”, disse ele.
Anos de tentativa e erro por trás da descoberta
A descoberta veio após vários anos de experimentação e muitos obstáculos. Bakhit disse que o progresso foi acelerado no final do ano passado, quando ele modificou o processo de fabricação, adicionando oxigênio somente após a formação da primeira camada.
“Passei cerca de três anos nisso”, disse ele. “Houve muitas falhas. Mas no final de novembro vimos os primeiros resultados realmente bons. Claro que ainda é cedo, mas se conseguirmos resolver o problema da temperatura, esta tecnologia pode ser um divisor de águas porque o consumo de energia é muito baixo e, ao mesmo tempo, o desempenho do dispositivo é muito promissor.”
O trabalho foi apoiado em parte pelo Conselho Sueco de Pesquisa (VR), pela Royal Academy of Engineering, pela Royal Society e pela UK Research and Innovation (UKRI). Cambridge Enterprises, braço de inovação da universidade, apresentou um pedido de patente.
