Os cientistas criaram um novo tipo de dispositivos nanoeletrônicos que podem reduzir significativamente a quantidade de energia consumida pelos sistemas de inteligência artificial. A inovação funciona imitando a forma como o cérebro humano processa informações, oferecendo 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 interagem no cérebro. Seus resultados foram publicados na revista Conquistas da ciência.
Por que os sistemas modernos de inteligência artificial consomem tanta energia
A inteligência artificial moderna depende de chips de computador tradicionais que movem dados constantemente entre a memória e os processadores. Esta transmissão de ida e volta requer grandes quantidades de eletricidade, e a procura continua a crescer 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, ele combina ambos em um só lugar, semelhante ao funcionamento do cérebro. Este método pode reduzir o consumo de energia em até 70% e permitir que os sistemas aprendam e se adaptem de forma mais natural.
“O consumo de energia é um dos principais desafios no hardware moderno de IA”, disse o autor principal, Dr. Babak Bakhit, do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia de Cambridge. “Para resolver esse problema, você precisa de dispositivos com corrente muito baixa, excelente estabilidade, excelente uniformidade de ciclos e dispositivos de comutação e capacidade de alternar entre muitos estados diferentes.”
Uma nova abordagem para projeto de memristores
A maioria dos memristores existentes funciona formando minúsculos filamentos condutores dentro de materiais de óxido metálico. Esses threads tendem a se comportar de maneira imprevisível e muitas vezes exigem altas tensões, limitando sua praticidade para computação em larga escala.
Os pesquisadores de Cambridge seguiram um caminho diferente. Eles desenvolveram um filme fino à base de háfnio que muda 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 conhecidas como “junções pn” na interface entre as camadas.
Em vez de depender de filamentos para se formar e quebrar, o dispositivo altera sua resistência ajustando a barreira de energia nessas interfaces. Isso permite uma comutação mais suave e confiável.
Bakhit, que também trabalha no Departamento de Engenharia de Cambridge, explicou que este projeto resolve um problema importante no projeto de memristores. “Dispositivos threaded sofrem de comportamento aleatório”, disse ele. “Mas como nossos dispositivos são comutados na interface, eles apresentam excelente uniformidade ciclo a ciclo e dispositivo a dispositivo.”
Potência ultrabaixa e aprendizagem semelhante à do cérebro
Os testes mostraram que os novos dispositivos operam com correntes de comutação cerca de um milhão de vezes mais baixas do que alguns memristores convencionais à base de óxido. Eles também podem atingir centenas de níveis de condução estáveis, o que é essencial para a computação analógica “na memória”.
Em experimentos de laboratório, os dispositivos permaneceram estáveis durante dezenas de milhares de ciclos de comutação e mantiveram seus estados programados por cerca de um dia. Eles também demonstraram comportamentos-chave de aprendizagem biológica, incluindo a plasticidade dependente do tempo de pico: um processo que permite aos neurônios fortalecer ou enfraquecer suas conexões em função do tempo.
“Essas são as propriedades que você precisa se quiser um hardware que possa aprender e se adaptar, e não apenas armazenar bits”, disse Buckhit.
Desafios restantes e potencial futuro
Apesar dos resultados promissores, ainda existem obstáculos a superar. O processo de fabricação atual requer temperaturas de cerca de 700°C – mais altas do que os semicondutores padrão normalmente podem produzir.
“Este é atualmente um grande desafio em nosso processo de fabricação de dispositivos”, disse Bakhit. “Mas agora estamos trabalhando em como diminuir a temperatura para torná-la mais compatível com os processos padrão da indústria”.
Se este problema puder ser resolvido, esta tecnologia poderá ser integrada em sistemas práticos de escalonamento de IC. “Se conseguirmos baixar a temperatura e colocar estes dispositivos num chip, será um grande passo em frente”, disse ele.
Por trás da descoberta estão anos de tentativa e erro
O progresso veio após vários anos de experimentação e muitos fracassos. Bakhit 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. Claro, ainda é cedo, mas se conseguirmos resolver o problema da temperatura, esta tecnologia pode ser uma virada de jogo porque o consumo de energia é muito menor e ao mesmo tempo o desempenho do dispositivo é muito promissor.”
O trabalho foi apoiado em parte pelo Conselho Sueco de Pesquisa (VR), pela Royal Academy of Engineering, pela Royal Society e pelo Reino Unido para Pesquisa e Inovação (UKRI). Cambridge Enterprise, braço de inovação da universidade, solicitou a patente.
