Conheça a eficiente memória protônica, onde prótons substituem elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/07/2023

Este é o chip de computação neuromórfico ferroelétrico construído pela equipe, mostrado aqui durante os testes no laboratório.
[Imagem: Fei Xue/KAUST]

Computação protônica

Virtualmente toda a nossa tecnologia é eletrônica, cujo nome vem dos elétrons nos quais seu funcionamenteo se baseia.

Mas também é teoricamente possível construir componentes protônicos, que funcionem com base nos prótons.

Embora não seja tão fácil, pode valer a pena porque os componentes protônicos podem ser incrivelmente rápidos - um resistor protônico demonstrado no ano passado é tão rápido que seu funcionamento foi comparado a um teletransporte.

Além disso, com os prótons é possível mudar o comportamento dos materiais de modo contínuo, criando componentes que funcionem com sequências de valores, o que lembra mais o analógico do que o digital, que só trabalha com valores discretos.

Esse tipo de comportamento está na base dos memoristores e de todo o hardware neuromórfico, que está na crista da onda tecnológica porque, ao imitar o cérebro, será um hardware talhado para rodar programas de inteligência artificial.

Agora, pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, na Arábia Saudita, conseguiram desenvolver uma memória protônica, um protótipo que, embora vá exigir todo um processo de aprimoramento para seu uso prático, confirma todas as possibilidades tão esperadas do hardware que funciona à base de prótons.

O objetivo é aumentar a capacidade de armazenamento dos componentes de memória e de computação neuromórficos ferroelétricos, que consomem menos energia e operam mais rapidamente.
[Imagem: Fei Xue/KAUST]

Memória protônica

Xin He e seus colegas conseguiram induzir transições de fase em um material ferroelétrico, chamado seleneto de índio (In₂Se₃), injetando prótons - ou núcleos de hidrogênio - no material.

Os ferroelétricos são materiais intrinsecamente polarizados, que mudam de polaridade quando colocados sob um campo elétrico, o que os torna atraentes para a criação de memórias. Além de exigir baixas tensões de operação, os componentes de memória resultantes apresentam excelente durabilidade na leitura e gravação e altíssimas velocidades de gravação.

O problema é que, até agora, sua capacidade de armazenamento vinha sendo baixa porque os métodos disponíveis conseguiram induzir apenas algumas poucas fases ferroelétricas, e capturar essas fases para que eles representem os dados - ou seja, ler a memória - é um desafio.

A equipe descobriu que o seleneto de índio permite fazer isto, com a protonação - injeção de prótons - gerando uma multiplicidade de fases ferroelétricas. Como cada fase representa um dado, quanto mais fases for possível gerar, maior será o "alfabeto" da memória, rompendo os limites dos tradicionais 0 e 1.

Memória multinível

Para construir um componente de memória prático, a equipe incorporou o material ferroelétrico em um transístor que consiste em uma heteroestrutura empilhada sobre um substrato de silício - cada célula de memória eletrônica também funciona como um transístor.

A injeção gradual de prótons no filme ferroelétrico, feita alterando a voltagem aplicada, produziu várias fases ferroelétricas reversíveis de acordo com o grau de protonação, o que é crucial para a implementação de componentes de memória multinível com capacidade de armazenamento em níveis práticos.

Tensões positivas mais altas aumentam a protonação, enquanto tensões negativas de amplitudes mais altas esgotam os níveis de protonação. E tudo isso operando com uma tensão de meros 0,4 volt, o que é essencial para a construção de componentes de baixo consumo de energia.

"Nosso maior desafio foi reduzir a tensão operacional, mas percebemos que a eficiência da injeção de prótons na interface governava as tensões operacionais e poderia ser ajustada de acordo," disse o professor Fei Xue, coordenador da equipe. "Estamos empenhados em desenvolver chips de computação neuromórficos ferroelétricos que consumam menos energia e operem mais rápido."

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