Rede cerebral em hardware usa desordem para criar ordem

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/02/2020

A rede é baseada em um "material computacional", que evolui para uma resposta graças à condução por saltos (hopping).
[Imagem: Nature]

Rede desordenada

Uma rede desordenada capaz de detectar padrões ordenados: Parece contraditório, mas isso está bem próximo da maneira como nosso cérebro funciona.

E foi uma rede desse tipo, inspirada no cérebro, que Tao Chen e seus colegas da Universidade de Twente, nos Países Baixos, acabam de desenvolver.

Diferentemente dos circuitos tradicionais, montados com componentes cuidadosa e calculadamente montados, a rede é composta por um material que a indústria eletrônica atual rapidamente descartaria como altamente defeituoso - só que ele funciona.

Uma grande vantagem é que a técnica continua sendo baseada na tecnologia do silício e opera em temperatura ambiente.

Material computacional

A "rede desordenada de átomos contaminantes" é uma abordagem totalmente diferente do que tem sido feito até agora no campo da computação neuromórfica, que tipicamente usa neurônios artificiais pré-projetados, ou memoristores.

Os cálculos são feitos por um "material computacional", que evolui para uma solução sem fazer uso de elementos pré-projetados.

A rede explora as propriedades do material para "evoluir" em direção a uma solução. Essa abordagem altamente contra-intuitiva demonstrou ser eficiente em termos de energia e coube em um chip pequeno.

Vista superior (imagem de microscopia eletrônica de varredura) e vista lateral (desenho) da rede dopada.
[Imagem: Tao Chen et al. - 10.1038/d41586-020-00002-x]

Condução por saltos

A fabricação do material computacional é bastante simples, resultando mais de uma nova dosagem dos "ingredientes".

O segredo é a "dopagem", um processo bem conhecido na eletrônica, usado para influenciar as propriedades dos transistores pela introdução deliberada de impurezas no cristal de silício. A concentração do elemento dopante deve ser alta o suficiente para atingir o efeito desejado, mas não pode passar do ponto e nem ficar fraca demais.

Chen usou uma concentração de dopante - neste caso o elemento boro - muito menor do que a indústria eletrônica tradicionalmente usa. Mas a adição foi na medida exata para atingir o regime no qual a rede desordenada opera.

A condução elétrica no material passa a ocorrer não diretamente, mas via elétrons que pulam de um átomo de boro para outro. Essa "condução por saltos" é, de certa forma, comparável à maneira como os neurônios interagem com outros neurônios no nosso cérebro para que possamos funcionar como funcionamos.

Quando a rede é alimentada, por exemplo, com 16 padrões básicos de quatro dígitos, cada padrão resulta em um sinal de saída diferente. Com esses 16 como base, foi possível reconhecer um banco de dados com letras manuscritas com alta precisão e velocidade.

Computação de bordo

O "componente" básico da rede tem 300 nanômetros de diâmetro, possui cerca de 100 átomos de boro e consome cerca de 1 microWatt de energia.

A equipe espera que sua arquitetura possa viabilizar o uso desse tipo de rede no reconhecimento de padrões por hardware local, principalmente em aplicações embarcadas - um tipo de computação conhecido como "computação de bordo". Nos carros autônomos, por exemplo, a maioria das decisões precisa ser tomada com base no reconhecimento de padrões. Hoje, isso envolve um computador de bordo grande ou comunicação de alta largura de banda com a nuvem.

A nova abordagem inspirada no cérebro também envolveria menos transporte de dados no caso de aplicações que exijam comunicações à distância.

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