Sinapse artificial orgânica para processadores neuromórficos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/03/2017

A sinapse artificial é feita de materiais orgânicos de baixo custo, todos sintéticos, mas formados sobretudo por hidrogênio e carbono, o que significa que o componente é compatível com a química cerebral.
[Imagem: L.A. Cicero]

Sinapse orgânica sintética

Parece que os memoristores, componentes eletrônicos dotados de memória, não são o único caminho para construir sinapses artificiais e processadores neuromórficos, que imitam o funcionamento do cérebro.

Yoeri van de Burgt, da Universidade de Stanford, nos EUA, construiu uma nova sinapse artificial orgânica que cumpre com grande fidelidade a função do espaço entre os neurônios usados para que essas células nervosas se comuniquem. O trabalho contou com a participação do brasileiro Gregório Couto Faria, da USP de São Carlos.

Vale lembrar que os memristores são componentes inorgânicos, sendo mais difícil compatibilizá-los com aplicações que visem unir o eletrônico ao biológico.

"Ela funciona como uma sinapse real, mas é um componente eletrônico orgânico que pode ser fabricado. É uma família inteiramente nova de dispositivos porque esse tipo de arquitetura nunca havia sido demonstrada antes. Por uma variedade de métricas, ela também tem um desempenho melhor do que qualquer coisa que já tenha sido feita antes com inorgânicos," disse o professor Alberto Salleo, coordenador da equipe.

Redes neurais artificiais

A nova sinapse artificial imita o modo como as sinapses no cérebro aprendem através dos sinais que as atravessam. Isto representa uma economia de energia significativa em relação à computação tradicional, que envolve separadamente processar as informações e, em seguida, armazená-las na memória - aqui, o processamento cria a memória.

A sinapse artificial parece um híbrido de bateria e transístor.
[Imagem: Yoeri van de Burgt et al. - 10.1038/nmat4856]

O componente se parece com uma bateria, sendo formado por dois filmes finos e flexíveis com três terminais conectados por um eletrólito de água salgada. Por outro lado, ele funciona como um transístor, com um dos terminais controlando o fluxo de eletricidade entre os outros dois. Seu nome técnico é enode (Electrochemical Neuromorphic Organic Device, ou dispositivo eletroquímico orgânico neuromórfico).

Tal como um caminho neural no cérebro sendo reforçado por meio da aprendizagem, a sinapse artificial orgânica é programada fazendo-a carregar e descarregar repetidamente. Através deste treinamento, é possível prever com apenas 1% de incerteza que tensão será necessária para levar a sinapse a um estado elétrico específico. Assim que esse estado é atingido, o componente estabiliza, permanecendo nele.

Em outras palavras, ao contrário de um computador comum, onde você salva seu trabalho no disco rígido antes de desligá-lo, a sinapse artificial pode recuperar a sua programação sem quaisquer ações ou partes adicionais.

Otimizações e testes

O protótipo consome um décimo da energia necessária para que um computador atual mova um dado do processador para a memória. Isso é pouco, mas significa que a sinapse artificial ainda consome 10.000 vezes mais energia do que uma sinapse biológica natural, mostrando o espaço que há para otimizações.

O próximo passo será construir uma matriz real de sinapses artificiais para verificar seu funcionamento integrado.

A expectativa é que a sinapse sintética possa no futuro fazer parte de um computador mais parecido com o cérebro, o que poderia ser especialmente benéfico para a computação que trabalha com sinais visuais e auditivos, como interfaces controladas por voz e carros sem motorista.

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