Skyrmions são objetos atômicos ultraestáveis ​​descobertos em materiais reais em 2009, que mais recentemente também se verificou existir à temperatura ambiente. Esses objetos únicos têm uma série de propriedades desejáveis, incluindo uma tensão de limite substancialmente pequena, tamanhos em nanoescala e fácil manipulação elétrica.

Embora essas propriedades possam ser vantajosas para a criação de uma ampla gama de eletrônicos, desenvolver dispositivos totalmente elétricos funcionais usando skyrmions provou até agora ser muito desafiador. Uma aplicação possível para skyrmions é na computação neuromórfica, que envolve a criação de estruturas artificiais que se assemelham às observadas no cérebro humano.

Com isso em mente, pesquisadores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST) investigaram recentemente a possibilidade de usar skyrmions para replicar mecanismos observados no cérebro humano. Seu papel, publicado em Nature Electronics , mostra que essas estruturas atômicas ultra-estáveis ​​podem ser usadas para imitar alguns comportamentos de sinapses biológicas, que são junções entre neurônios por meio das quais os impulsos nervosos são transmitidos a diferentes partes do cérebro humano.

"Desde sua descoberta, houve algumas demonstrações de manipulações elétricas de skyrmions, que sugeriu que eles podem ser usados ​​para criar um dispositivo totalmente funcional, "Seonghoon Woo, um dos pesquisadores que realizou o estudo e agora na IBM, disse TechXplore. "Ao mesmo tempo, observamos um aumento na pesquisa de computação neuromórfica, sugerindo que um dispositivo de memória analógica conhecido como 'memristor' poderia ser usado para aumentar drasticamente a eficiência da computação. Como outras tecnologias que usam memória analógica existente ainda estão em estágios iniciais de desenvolvimento, pensamos que memristores baseados em skyrmion podem ser uma solução, devido às suas características ideais. "

Os neurônios do cérebro se comunicam através das sinapses usando neurotransmissores, Substâncias químicas que transmitem informações neurológicas de uma célula para outra. Nas sinapses artificiais criadas pelos pesquisadores, cada skyrmion individual atua como um neurotransmissor.

Ao controlar o número de skyrmions em um sistema usando o mínimo de energia elétrica, os pesquisadores foram capazes de imitar dois mecanismos observados nas sinapses biológicas, ou seja, seus comportamentos de potencialização e depressão, que são acionados por variações no peso dos neurotransmissores. Esses comportamentos foram replicados, provocando o acúmulo e a dissipação de skyrmions, resultando em alterações no peso do sistema e, portanto, em sua memória.

"Em nosso estudo, comparamos explicitamente as sinapses baseadas em skyrmion com outras tecnologias mais estabelecidas baseadas em memória não volátil, como memória de mudança de fase ou memória resistiva, "Woo disse." Embora preliminar, nosso estudo revela que um design baseado em skyrmion pode ter vantagens em métricas importantes, incluindo resistência, linearidade e variabilidade de dispositivo para dispositivo, que agora são um gargalo crítico em projetos baseados em PRAM ou RRAM. "

Até aqui, Woo e seus colegas testaram o desempenho de suas sinapses artificiais em nível de chip, em uma série de simulações. Eles descobriram que tiveram um desempenho muito bom, particularmente em tarefas de reconhecimento de padrões.

"Considerando que a maioria dos estudos atuais sobre computação neuromórfica baseada em memristor são baseados em PRAM ou RRAM, Acho que a conquista mais significativa de nosso estudo é que demonstramos uma nova maneira de criar ferramentas de computação neuromórfica com base em estruturas de spin, "Woo disse.

Em algumas tarefas de reconhecimento de padrões, as sinapses artificiais criadas por Woo e seus colegas alcançaram uma precisão comparável àquela obtida por outras ferramentas computacionais de última geração. No futuro, essas estruturas podem permitir o desenvolvimento de novos tipos de redes neurais artificiais (RNA) de alto desempenho.

"Uma das muitas vantagens do Skyrmions é que eles podem ter uma escala de tamanho muito pequena - até um único nanômetro - e escala de energia, em um material ideal, "Woo acrescentou." Esta característica pode em breve reduzir significativamente a energia de operação para aplicativos de computação neuromórfica. "

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