Computação magnética: Conheça o primeiro processador magnônico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/02/2025

Esquema do primeiro processador magnônico de uso geral.
[Imagem: Noura Zenbaa et al. - 10.1038/s41928-024-01333-7]

Processador magnônico

Você está usando um processador eletrônico, baseado em elétrons, esperando talvez por um processador spintrônico, baseado apenas nos spins dos elétrons, e, mais à frente, quem sabe um processador fotônico, no qual tudo é feito por fótons, à velocidade da luz.

O que poucos esperavam a curto prazo era um processador magnônico, ou baseado em magnons, que são quasipartículas que representam ondas de spin, ou seja, distúrbios semelhantes a ondas em uma matriz ordenada de elétrons, matriz esta que emerge na superfície de alguns materiais magnéticos.

Já sabíamos que a magnônica promete processadores 1.000 vezes mais rápidos, que além disso não esquentam e nem perdem os dados na falta de energia, já que são magnéticos, mas o conceito vinha sendo encarado como uma promessa a longo prazo.

Para surpresa geral, Noura Zenbaa e colegas da Universidade de Viena, na Áustria, criaram um dispositivo inteligente "universal" que usa ondas de spin, ou magnons, para executar múltiplas tarefas de processamento de dados, e fazer isto com uma eficiência energética excepcional.

É um avanço transformador em um campo ainda considerado como "computação não convencional", com potencial significativo para telecomunicações de próxima geração, computação e sistemas neuromórficos.

Configuração experimental do projeto inverso. (1) dispositivo universal de design inverso; (2) eletroímã; (3) teslâmetro; (4) Analisador de rede vetorial; (6) fontes de corrente multicanal; e (7) PC.
[Imagem: Noura Zenbaa/U of Vienna]

Magnônica

Os elétrons possuem uma propriedade de natureza magnética conhecida como spin. Quando os elétrons na rede cristalina de um material se coordenam, eles podem formar ondas. Essas ondas são descritas como quasipartículas, os magnons, que estabelecem uma espécie de elo entre o "eletro" e o "magnetismo". Assim como o spin dos elétrons deu origem à spintrônica, há muito se espera que os magnons sejam explorados tecnologicamente, criando uma magnônica, porque os magnons permitem o transporte e o processamento eficiente de dados, com uma perda mínima de energia.

Só há um problema: Ainda não sabemos como projetar um processador que consiga gerar os magnons, controlá-los para fazer os cálculos, e então ler seus estados para obter os resultados. Em outras palavras, falar é fácil, mas fazer é outra história.

Pois foi justamente esta a inovação apresentada agora, que foi possível graças a uma abordagem de "projeto inverso". A equipe criou algoritmos de inteligência artificial que determinam as configurações ideais do circuito para atingir as funcionalidades desejadas, simplificando significativamente o processo de projetar o processador. Após mais de dois anos de desenvolvimento e testes, a equipe superou muitos desafios, incluindo a seleção do melhor material para fabricar o hardware magnônico.

Usando um material magneto-óptico conhecido como granada de ítrio-ferro (YIG), a equipe construiu 49 estruturas em laço, no formato da letra grega ômega, que podem ser controladas individualmente. São esses laços que criam campos magnéticos ajustáveis para controlar e manipular os magnons.

Esquema de funcionamento do processador magnônico.
[Imagem: Noura Zenbaa/U of Vienna]

Funciona. Agora é miniaturizar

O protótipo demonstrou duas funções principais: Funcionar como um filtro de entalhe, ou de rejeição (um componente que bloqueia frequências específicas), e como um demultiplexador, um dispositivo que roteia sinais para diferentes saídas. Essas capacidades são cruciais para comunicações sem fio de próxima geração, como 5G e 6G.

Ao contrário dos sistemas tradicionais, que exigem componentes personalizados, o hardware magnônico pode ser adaptado para várias aplicações, reduzindo a complexidade, os custos e o consumo de energia.

Melhor de tudo, porém, é que os primeiros testes demonstraram que o dispositivo pode executar todas as operações lógicas em dados binários, abrindo de fato o caminho para criar uma nova tecnologia de processadores que poderá rivalizar com os processadores eletrônicos tradicionais. A equipe planeja integrar essa tecnologia à computação neuromórfica e outros sistemas avançados.

Embora o protótipo seja grande e consuma muita energia, a equipe planeja miniaturizá-lo, fabricando laços com menos de 100 nanômetros, o que abriria caminho para o processamento de dados universal com baixo consumo de energia e para criar soluções para tecnologias computacionais mais ecológicas.

"Este projeto foi um empreendimento ousado com muitas incógnitas," ponderou o professor Andrii Chumak. "No entanto, nossas medições iniciais confirmaram sua viabilidade - esse conceito funciona. Nossos resultados destacam como a inteligência artificial está transformando o campo da física."

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