p Os engenheiros do MIT desenvolveram um "cérebro em um chip, "menor do que um pedaço de confete, que é feito de dezenas de milhares de sinapses cerebrais artificiais conhecidas como memristores - componentes baseados em silício que imitam as sinapses de transmissão de informações no cérebro humano. p Os pesquisadores pegaram emprestado os princípios da metalurgia para fabricar cada memristor a partir de ligas de prata e cobre, junto com o silício. Quando eles executaram o chip em várias tarefas visuais, o chip foi capaz de "lembrar" as imagens armazenadas e reproduzi-las muitas vezes, em versões que eram mais nítidas e limpas em comparação com os designs de memristor existentes feitos com elementos sem liga.

p Seus resultados, publicado hoje no jornal Nature Nanotechnology , demonstram um novo design de memristor promissor para dispositivos neuromórficos - eletrônicos baseados em um novo tipo de circuito que processa informações de uma forma que imita a arquitetura neural do cérebro. Esses circuitos inspirados no cérebro podem ser construídos em pequenos, dispositivos portáteis, e realizaria tarefas computacionais complexas que apenas os supercomputadores de hoje podem lidar.

p "Até aqui, redes de sinapses artificiais existem como software. Estamos tentando construir hardware de rede neural real para sistemas portáteis de inteligência artificial, "diz Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Imagine conectar um dispositivo neuromórfico a uma câmera do seu carro, e fazer com que ele reconheça luzes e objetos e tome uma decisão imediatamente, sem ter que se conectar à internet. Esperamos usar memristores com baixo consumo de energia para fazer essas tarefas no local, em tempo real."

p Íons errantes

p Memristors, ou transistores de memória, são um elemento essencial na computação neuromórfica. Em um dispositivo neuromórfico, um memristor serviria como o transistor em um circuito, embora seu funcionamento se assemelhe mais a uma sinapse cerebral - a junção entre dois neurônios. A sinapse recebe sinais de um neurônio, na forma de íons, e envia um sinal correspondente para o próximo neurônio.

p Um transistor em um circuito convencional transmite informações alternando entre um de apenas dois valores, 0 e 1, e fazendo isso apenas quando o sinal que recebe, na forma de uma corrente elétrica, é de uma força particular. Em contraste, um memristor funcionaria ao longo de um gradiente, muito parecido com uma sinapse no cérebro. O sinal que ele produz varia de acordo com a intensidade do sinal que recebe. Isso permitiria que um único memristor tivesse muitos valores, e, portanto, realizam uma gama muito mais ampla de operações do que os transistores binários.

p Como uma sinapse cerebral, um memristor também seria capaz de "lembrar" o valor associado a uma determinada força de corrente, e produzirá exatamente o mesmo sinal na próxima vez que receber uma corrente semelhante. Isso pode garantir que a resposta a uma equação complexa, ou a classificação visual de um objeto, é confiável - um feito que normalmente envolve vários transistores e capacitores.

p Em última análise, os cientistas imaginam que os memristores exigiriam muito menos espaço do chip do que os transistores convencionais, permitindo poderoso, dispositivos de computação portáteis que não dependem de supercomputadores, ou mesmo conexões com a Internet.

p Projetos de memristor existentes, Contudo, são limitados em seu desempenho. Um único memristor é feito de um eletrodo positivo e negativo, separados por um "meio de comutação, "ou espaço entre os eletrodos. Quando uma tensão é aplicada a um eletrodo, íons desse eletrodo fluem através do meio, formando um "canal de condução" para o outro eletrodo. Os íons recebidos constituem o sinal elétrico que o memristor transmite através do circuito. O tamanho do canal iônico (e o sinal que o memristor finalmente produz) deve ser proporcional à força da voltagem de estimulação.

p Kim diz que os projetos de memristor existentes funcionam muito bem em casos em que a tensão estimula um grande canal de condução, ou um forte fluxo de íons de um eletrodo para o outro. Mas esses projetos são menos confiáveis ​​quando os memristores precisam gerar sinais mais sutis, através de canais de condução mais finos.

p Quanto mais fino um canal de condução, e quanto mais leve o fluxo de íons de um eletrodo para o outro, mais difícil é para íons individuais permanecerem juntos. Em vez de, eles tendem a se afastar do grupo, dissolvendo-se no meio. Como resultado, é difícil para o eletrodo receptor capturar com segurança o mesmo número de íons, e, portanto, transmitir o mesmo sinal, quando estimulado com uma certa faixa baixa de corrente.

p Pegando emprestado da metalurgia

p Kim e seus colegas encontraram uma maneira de contornar essa limitação pegando emprestada uma técnica da metalurgia, a ciência de fundir metais em ligas e estudar suas propriedades combinadas.

p "Tradicionalmente, metalúrgicos tentam adicionar átomos diferentes em uma matriz a granel para fortalecer os materiais, e pensamos, por que não ajustar as interações atômicas em nosso memristor, e adicionar algum elemento de liga para controlar o movimento dos íons em nosso meio, "Kim diz.

p Os engenheiros normalmente usam prata como material para o eletrodo positivo de um memristor. A equipe de Kim examinou a literatura para encontrar um elemento que pudesse combinar com a prata para manter efetivamente os íons de prata juntos, enquanto permite que eles fluam rapidamente para o outro eletrodo.

p A equipe descobriu que o cobre é o elemento de liga ideal, pois é capaz de ligar ambos com prata, e com silício.

p "Atua como uma espécie de ponte, e estabiliza a interface prata-silício, "Kim diz.

p Para fazer memristores usando sua nova liga, o grupo primeiro fabricou um eletrodo negativo de silício, então fez um eletrodo positivo depositando uma pequena quantidade de cobre, seguido por uma camada de prata. Eles prensaram os dois eletrodos em torno de um meio de silício amorfo. Desta maneira, eles modelaram um chip de silício de um milímetro quadrado com dezenas de milhares de memristores.

p Como um primeiro teste do chip, eles recriaram uma imagem em escala de cinza do escudo do Capitão América. Eles igualaram cada pixel da imagem a um memristor correspondente no chip. Eles então modularam a condutância de cada memristor que era relativa em força à cor no pixel correspondente.

p O chip produziu a mesma imagem nítida do escudo, e foi capaz de "lembrar" a imagem e reproduzi-la muitas vezes, em comparação com chips feitos de outros materiais.

p A equipe também executou o chip por meio de uma tarefa de processamento de imagem, programar os memristores para alterar uma imagem, neste caso do Tribunal Killian do MIT, de várias maneiras específicas, incluindo nitidez e desfoque da imagem original. Novamente, seu design produziu as imagens reprogramadas de forma mais confiável do que os designs existentes de memristor.

p "Estamos usando sinapses artificiais para fazer testes de inferência real, "Kim diz." Gostaríamos de desenvolver ainda mais essa tecnologia para ter matrizes em maior escala para fazer tarefas de reconhecimento de imagem. E algum dia, você pode carregar cérebros artificiais para fazer esses tipos de tarefas, sem conectar a supercomputadores, a Internet, ou a nuvem. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.