Hardware magnético junta duas arquiteturas de computação alternativa

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/10/2024

Representação esquemática do computador de reservatório browniano dinâmico: Uma tensão elétrica é empregada para mover um skyrmion no filme fino triangular. Os circuitos coloridos representam diferentes gestos de mão. Os movimentos realizados pelo skyrmion permitem a interpretação do tipo de gesto de mão detectado por meio de um radar.
[Imagem: Grischa Beneke/JGU]

Computação de reservatório e computação browniana

A computação de reservatório browniana causou surpresa há apenas dois anos com a demonstração de uma implementação prática usando entidades magnéticas conhecidas como skyrmions.

A equipe continua trabalhando no conceito, e agora surpreendeu de novo ao implementar uma aplicação prática, tornando seu protótipo capaz de detectar gestos humanos.

"Nós ficamos impressionados ao ver que nossa abordagem e conceito de hardware funcionam tão bem - e até melhor do que soluções de software que consomem muita energia e empregam redes neurais," disse a pesquisadora Grischa Beneke, da Universidade de Mainz.

A computação de reservatório pode ser comparada a um lago no qual atiramos pedras, criando um padrão de ondas complexo na superfície. Da mesma forma que as ondas denunciam o número e a posição das pedras atiradas, o mecanismo de saída da computação de reservatório fornece informações sobre a entrada original. Ela é semelhante às redes neurais artificiais usadas em inteligência artificial, com a grande vantagem de que essa arquitetura emergente não precisa de treinamento extensivo, o que reduz seu consumo geral de energia.

Os processos exatos da computação de reservatório permanecem obscuros, mas os pesquisadores afirmam que eles não são importantes do ponto de vista prático, assim como a chamada caixa-preta da inteligência artificial - o que importa é que funciona. "Tudo o que temos que fazer é treinar um mecanismo de saída simples para mapear o resultado," explicou Beneke.

A computação browniana, por sua vez, explora o fato de que os processos de computador são geralmente executados em temperatura ambiente, de modo que existe a opção de usar a energia térmica circundante e, assim, reduzir o consumo de eletricidade. A energia térmica utilizada no sistema computacional é basicamente o movimento aleatório das partículas, conhecido como movimento browniano, o que dá o nome a esse método de computação.

Esquema do processador magnético baseado em skyrmions. Um skyrmion (ponto cinza) é deslocado para os cantos do processador triangular por correntes elétricas, onde ele ricocheteia nas laterais. Os potenciais mostrados em vermelho são suficientes para realizar operações lógicas booleanas.
[Imagem: Klaus Raab/JGU]

Capturando gestos

Nesta nova demonstração da plataforma de computação alternativa, os pesquisadores registraram gestos de mão, como acenar para a esquerda ou para direita, coletando os dados com um radar. Os dados do radar são então convertidos em tensões elétricas correspondentes, que são enviadas para o reservatório.

O reservatório consiste em uma pilha multicamadas de filmes finos na forma de um triângulo, com contatos em cada um de seus cantos. Os vários materiais que compõem o triângulo são selecionados para acomodar os skyrmions, redemoinhos magnéticos quirais com grande potencial para uso em dispositivos de computação e como portadores de informações em dispositivos de armazenamento de dados de próxima geração. Esses minúsculos vórtices magnéticos comportam-se como partículas e podem ser controlados por correntes elétricas.

"Os skyrmions são realmente surpreendentes. Primeiro os consideramos apenas como candidatos para armazenamento de dados, mas eles também têm grande potencial para aplicações em computação combinadas com sistemas de sensores," explicou o professor Mathias Kläui, coordenador da equipe. Por si só, o uso dessas entidades magnéticas para processamento compõe uma arquitetura de computação de pleno direito, conhecida como computação magnética.

Dois dos contatos fornecem a voltagem, o que faz com que os skyrmions movam-se dentro do triângulo, ou seja, o triângulo é o processador desse sistema computacional. "Em reação aos sinais fornecidos, detectamos movimentos complexos," descreveu Beneke. "Esses movimentos dos skyrmions nos permitem deduzir os movimentos que o sistema de radar registrou." Em outras palavras, o movimento do skyrmion dentro do triângulo reflete com grande precisão o movimento da mão que foi lido pelo radar.

Esta é a coisa real, funcionando melhor do que a versão de software que roda em computadores convencionais - além de gastar uma fração da energia.
[Imagem: Grischa Beneke et al. - 10.1038/s41467-024-52345-y]

Resultados e melhorias

A comparação dos resultados obtidos usando a computação de reservatório browniano com aqueles registrados usando uma abordagem baseada em software mostrou que a precisão do reconhecimento dos gestos é semelhante ou até melhor no caso da computação de reservatório browniano.

O grande benefício da combinação da computação de reservatório com a computação browniana é que os skyrmions são livres para executar movimentos aleatórios porque as diferenças locais nas propriedades magnéticas têm menos influência sobre como eles reagem. Isso significa que os skyrmions podem ser movidos com correntes elétricas muito baixas, demonstrando uma melhoria significativa na eficiência energética em comparação com a abordagem de software.

Como os dados coletados pelo radar e a dinâmica intrínseca do reservatório operam em escalas de tempo semelhantes, os dados do sensor podem ser inseridos diretamente no reservatório. E as escalas de tempo do sistema podem ser adaptadas para resolver uma variedade de outros problemas.

A equipe já está trabalhando em melhorias para tornar sua computação de reservatório browniana mais prática. No protótipo atual, o processo de leitura usa um microscópio magneto-óptico de efeito Kerr (MOKE). A ideia é usar uma junção de túnel magnético, o que ajudará a reduzir significativamente o tamanho de todo o sistema.

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