Os cientistas criaram um novo tipo de dispositivo nanoeletrônico que pode reduzir significativamente a energia consumida pelos sistemas de inteligência artificial. O princípio desta inovação é replicar a forma como o cérebro humano processa a informação, proporcionando uma alternativa mais eficiente ao atual hardware de inteligência artificial, que consome muita energia.
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Cambridge desenvolveu uma versão modificada do óxido de háfnio que funciona como um “memristor” altamente estável e de baixa energia – um componente projetado para replicar como os neurônios se conectam e se comunicam no cérebro. Suas descobertas foram publicadas na revista progresso científico.
Por que os atuais sistemas de inteligência artificial usam tanta energia
A inteligência artificial moderna depende de chips de computador tradicionais, que movem dados constantemente entre a memória e as unidades de processamento. Esta transmissão de ida e volta requer grandes quantidades de eletricidade, e a procura está a aumentar à medida que a inteligência artificial se torna mais amplamente utilizada em vários setores.
A computação neuromórfica oferece uma abordagem diferente. Em vez de separar memória e processamento, combina os dois em um só lugar, semelhante ao funcionamento do cérebro. Esta abordagem pode reduzir o consumo de energia em até 70%, ao mesmo tempo que permite que o sistema aprenda e se adapte de forma mais natural.
“O consumo de energia é um dos principais desafios enfrentados pelos atuais hardwares de inteligência artificial”, disse o autor principal, Dr. Babak Bakhit, do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia da Universidade de Cambridge. “Para resolver esse problema, você precisa de dispositivos com corrente muito baixa, excelente estabilidade, excelente consistência entre ciclos de comutação e dispositivos e capacidade de alternar entre muitos estados diferentes.”
Uma nova abordagem para projeto de memristores
A maioria dos memristores existentes opera formando minúsculos filamentos condutores dentro de um material de óxido metálico. O comportamento destes filamentos é muitas vezes difícil de prever e muitas vezes requer altas tensões, o que limita a sua utilidade na computação em larga escala.
Os pesquisadores de Cambridge seguiram um caminho diferente. Eles projetaram um filme à base de háfnio que pode mudar de estado por meio de um mecanismo mais controlado. Ao adicionar estrôncio e titânio e usar um processo de crescimento em duas etapas, eles criaram pequenas portas eletrônicas na interface entre as camadas, chamadas “junções pn”.
Em vez de depender da formação e quebra de filamentos, o dispositivo altera a sua resistência ajustando barreiras de energia nestas interfaces. Isso resulta em uma comutação mais suave e confiável.
Este projeto resolve um grande problema no desenvolvimento de memristores, explicou Bashit, do Departamento de Engenharia da Universidade de Cambridge. “Dispositivos filamentosos estão sujeitos a comportamento aleatório”, disse ele. “Mas como nossos dispositivos alternam na interface, eles apresentam excelente consistência entre ciclos e dispositivos.”
Consumo de energia ultrabaixo e aprendizagem inspirada no cérebro
Os testes mostraram que o novo dispositivo opera com corrente cerca de um milhão de vezes menor do que alguns memristores convencionais à base de óxido. Eles também podem atingir centenas de níveis de condutância estáveis, o que é fundamental para a computação de “memória” analógica.
Em experimentos de laboratório, os dispositivos permaneceram estáveis durante dezenas de milhares de ciclos de comutação e mantiveram seu estado programado por cerca de um dia. Eles também demonstram comportamentos-chave de aprendizagem biológica, incluindo a plasticidade dependente do tempo de pico: um processo que permite aos neurônios fortalecer ou enfraquecer suas conexões com base no tempo.
“Se você deseja hardware que possa aprender e se adaptar, e não apenas armazenar bits, então esses são os atributos que você precisa”, disse Bashit.
Desafios restantes e potencial futuro
Apesar dos resultados animadores, ainda existem obstáculos que precisam ser superados. Os processos de fabricação atuais exigem temperaturas de aproximadamente 700°C, mais altas do que normalmente permitidas na fabricação padrão de semicondutores.
“Este é o principal desafio em nosso processo de fabricação de dispositivos no momento”, disse Bashit. “Mas agora estamos procurando maneiras de baixar a temperatura para alinhá-la mais com os procedimentos padrão da indústria”.
Se este problema puder ser resolvido, a tecnologia poderá ser integrada em sistemas reais em escala de chip. “Se conseguirmos baixar a temperatura e colocar estes dispositivos num chip, isso seria um grande passo em frente”, disse ele.
Anos de tentativa e erro por trás da descoberta
O progresso veio após vários anos de experimentação e vários contratempos. Bashit disse que o progresso finalmente acelerou no final do ano passado, quando ele modificou o processo de fabricação para adicionar oxigênio somente após a formação da primeira camada.
“Passei quase três anos nisso”, disse ele. “Houve muitas falhas. Mas no final de novembro vimos os primeiros resultados realmente bons. É claro que ainda é cedo, mas se conseguirmos resolver o problema da temperatura, esta tecnologia poderá mudar o jogo porque o consumo de energia é muito menor e o desempenho do dispositivo é muito promissor.”
Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo Conselho Sueco de Pesquisa (VR), pela Royal Academy of Engineering, pela Royal Society e pela UK Research and Innovation (UKRI). Cambridge Enterprise, braço de inovação da universidade, apresentou um pedido de patente.
