Processadores para IA ganham percepção do tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/05/2024

Um material supercondutor serviu como molde cristalográfico para que a equipe desenvolvesse seu material, que deu percepção do tempo aos processadores de IA.
[Imagem: Sieun Chae/Sangmin Yoo/University of Michigan]

Processadores de IA

Um novo processador, projetado desde o início para rodar programas de inteligência artificial, fará tudo de modo mais eficiente, tanto em termos de energia quanto em velocidade de processamento, porque já nasce com uma capacidade intrínseca de lidar com o tempo.

Isso significa que as redes neurais artificiais poderão processar diretamente informações dependentes do tempo - e isso inclui coisas como arquivos de áudio e vídeo.

O problema é que as GPUs, os processadores gráficos usados hoje, operam de maneira muito diferente das redes neurais artificiais que executam os algoritmos de IA - toda a rede e todas as suas interações devem ser carregadas sequencialmente a partir da memória do computador, que fica separada e longe do processador, o que consome tempo e energia.

Para resolver este problema, a principal abordagem é conhecida como computação na memória, que usa componentes eletrônicos especiais que, diferentemente dos transistores tradicionais, servem tanto para armazenar dados (memória) quanto para fazer cálculos (processamento). Esses componentes são chamados memoristores, que oferecem economia de energia porque imitam aspectos-chave do modo como as redes neurais artificiais e biológicas funcionam - sem memória externa.

Agora, Sangmin Yoo e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, criaram o primeiro memoristor com um "tempo de relaxamento" que pode ser ajustado, dando ao processador uma capacidade intrínseca para lidar com a dimensão temporal.

O tempo de relaxamento do componente pode ser configurado.
[Imagem: Sangmin Yoo et al. - 10.1038/s41928-024-01169-1]

Processador com relógio [quase] biológico

Em uma rede neural biológica, a marcação do tempo é obtida por meio do relaxamento: Cada neurônio recebe sinais elétricos, mas é necessário alcançar um certo limiar mínimo dos sinais recebidos para que o neurônio os repasse adiante - e esse limiar deve ser alcançado em um determinado período de tempo. Se passar muito tempo, diz-se que o neurônio "relaxa", à medida que a energia bioelétrica "vaza" dele e o sinal se perde. Para que sejamos capazes de compreender sequências de eventos em escalas diferentes, somos dotados de neurônios com diferentes tempos de relaxamento.

Os memoristores operam de modo um pouco diferente: Em vez da presença ou ausência total de um sinal, o que muda é o quanto do sinal elétrico que consegue atravessar o componente, o que é determinado por sua resistência elétrica, medida em ohms. Quando um sinal chega, ele reduz a resistência do memoristor, permitindo que o sinal seguinte passe em maior intensidade. Assim, nos memoristores, o tempo de relaxamento significa que a resistência à passagem do sinal elétrico aumenta novamente com o tempo.

Agora, a equipe demonstrou que variações no material usado para fabricar o componente podem resultar em diferentes tempos de relaxamento, permitindo que redes de memoristores imitem o mecanismo de cronometragem das redes biológicas.

"Prevemos que nosso novo sistema de materiais poderá melhorar a eficiência energética dos chips de IA em seis vezes em relação ao material de última geração, sem variar as constantes de tempo," disse o professor Sieun Chae.

O próximo passo será desenvolver uma técnica para fabricação dos componentes em larga escala.
[Imagem: Sangmin Yoo et al. - 10.1038/s41928-024-01169-1]

Sentido do tempo para computadores

A equipe construiu os materiais do memoristor partindo de um supercondutor YBCO (ítrio, bário, carbono e oxigênio), devido à sua estrutura cristalina, que guiou a organização dos óxidos de magnésio, cobalto, níquel, cobre e zinco que compõem o material de que é feito o memoristor.

Alterando as proporções desses óxidos, a equipe alcançou constantes de tempo que variam de 159 a 278 nanossegundos. Eles então construíram uma rede simples de memristores para demonstração, que aprendeu a reconhecer os sons dos números de zero a nove; uma vez treinada, ela conseguia identificar cada número antes que a entrada de áudio fosse concluída.

Esses primeiros protótipos de memristores com "relógio interno" foram feitos através de um processo que consome muita energia porque a equipe precisava de cristais perfeitos para medir com precisão suas propriedades, mas eles acreditam que um processo mais simples deverá funcionar para a fabricação em escala industrial.

"Até agora, é uma visão, mas penso que existem caminhos para tornar estes materiais escaláveis e acessíveis. Esses materiais são abundantes na Terra, não são tóxicos, são baratos e você quase pode aplicá-los por spray," disse o professor John Heron.

Mais tópicos