Computação neuromórfica dá salto com componentes padrão CMOS

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2023

Campos eletromagnéticos geram oscilações em um vórtice magnético. A interação não linear (ondas no envoltório circular) é semelhante à interação entre neurônios e sinapses no cérebro, e pode ser usada para reconhecimento de padrões.
[Imagem: HZDR/H. Schultheib]

Magnônica

Os computadores neuromórficos não calculam usando zeros e uns, eles usam fenômenos físicos para detectar padrões em grandes fluxos de dados, e fazem isto em alta velocidade e de maneira extremamente eficiente em termos de energia.

E, em um passo gigantesco para essa tecnologia emergente, pesquisadores e engenheiros alemães agora demonstraram uma arquitetura neuromórfica que pode ser perfeitamente integrada na fabricação convencional de chips, usando as mesmas máquinas da indústria microeletrônica.

Como o caminho que essa tecnologia irá de fato seguir ainda não está claro - assim como acontece na computação quântica - essa área recebe muitos nomes, desde o mais genérico "computação não-convencional" até "computação de reservatório", o subcampo que mais tem apresentado novidades.

No desenvolvimento apresentado agora, a computação é feita com magnons, que são quasipartículas que representam um quantum de onda magnética. Como essas quasipartículas emergem na superfície de alguns materiais na forma de oscilações coordenadas do momento magnético dos elétrons, elas são também chamadas ondas de spin. A magnônica oferece uma rota para o avanço das tecnologias da informação no que diz respeito à velocidade, arquitetura do processador e menor consumo de energia.

A ideia de usar magnons para criar uma nova tecnologia de processamento de dados já existe há algum tempo, mas até agora não se conhece nenhum material que permita gerar ondas de spin que viajem precisamente de um ponto a outro, o que é necessário para tirar proveito delas.

Estrutura fabricada pelo padrão CMOS (na base), à qual foram acrescidas ilustrações sobre o funcionamento da computação magnônica.
[Imagem: Lukas Korber et al. - 10.1038/s41467-023-39452-y]

Cálculos por oscilações

Sem o suporte material necessário para viabilizar a magnônica, a equipe alemã partiu para outra abordagem: Em vez de tentar controlar as vibrações sobre um material, agora o material inteiro vibra, e ainda pode fazer isso em diferentes frequências simultaneamente.

"Visualize um tambor. Belos padrões são criados se você polvilhar areia em um tambor e bater ritmicamente. Estes são os modos de vibração. Eles existem em todo o espaço. Eles não vão apenas de A a B. Eles são ondas estacionárias que vivem ressonantemente em todo o corpo," explicou o professor Helmut Schultheib, do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf.

A batida do tambor é a entrada de dados que pode vir, por exemplo, de um sensor. Isso causa uma interação de diferentes oscilações, o que resulta em processos não lineares. "Em nosso trabalho, fomos capazes de demonstrar que diferentes padrões de entrada sempre produziram padrões únicos de oscilação," disse Schultheib. "E esse processo é sensível ao tempo. Então, se mudarmos a sequência dos sinais de entrada, os padrões também mudarão."

Este é um requisito para avaliar os dados em tempo real. Mas a equipe se impôs outra exigência: Toda a estrutura teria que ser fabricada seguindo o processo CMOS, usado nas linhas de produção de chips em todo o mundo. "Mesmo se buscarmos novas tecnologias, a tecnologia CMOS continuará a garantir nossa prosperidade nas próximas décadas," justificou Schultheib. "Isso acontece porque ela hoje permeou todas as nossas vidas - desde o menor interruptor de luz até telefones e sensores para marca-passos."

Deu certo, e os protótipos fabricados em uma fundição tradicional funcionaram de acordo com as previsões, demonstrando que a magnônica poderá chegar ao nível de aplicação sem a exigência de descoberta de nenhum novo material, de inovações de processo ou de alguma invenção radical.

A computação na borda tem explorado várias possibilidades, incluindo memórias em átomos.
[Imagem: Mingyi Rao et al. - 10.1038/s41586-023-05759-5]

Computação na borda

Esta arquitetura não-convencional não deverá vir para substituir os computadores convencionais, baseados na eletrônica binária, que são muito melhores em cálculos matemáticos complexos.

Mas ainda não temos boas soluções quando precisamos analisar e reconhecer padrões, como na inteligência artificial ou em problemas bem triviais, como na previsão das condições de tráfego em uma avenida ou rodovia.

"Esta é uma empreitada de grande complexidade, na qual as arquiteturas de computadores convencionais, como os nossos PCs, têm imensa dificuldade. São necessárias muitas etapas de cálculo. Por outro lado, é a área de aplicação ideal para a computação neuromórfica, para os computadores de reservatório e para a inteligência artificial," disse Schultheib.

Como estas novas tecnologias não são apenas miniaturizadas, mas também incrivelmente eficientes em termos de energia, elas podem funcionar diretamente nos sensores, no que está sendo chamado de "computação na borda" - em contraposição à computação na nuvem - que será útil sempre que a transmissão de grandes quantidades de dados é difícil ou cara. Por exemplo, em vez de enviar todos os dados de medição de um satélite em órbita para a estação terrestre, eles poderiam ser processados lá mesmo no espaço.

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