Cada consulta de mecanismo de pesquisa, cada texto gerado por IA e desenvolvimentos como a direção autônoma:Na era da inteligência artificial (IA) e do big data, os computadores e data centers consomem muita energia. Por outro lado, o cérebro humano é muito mais eficiente em termos energéticos. A fim de desenvolver computadores mais potentes e economizadores de energia inspirados no cérebro, uma equipe de pesquisa da Ciência de Materiais e Engenharia Elétrica da Universidade de Kiel (CAU) identificou agora requisitos fundamentais para hardware adequado.



Os cientistas desenvolveram materiais que se comportam dinamicamente de forma semelhante aos sistemas nervosos biológicos. Seus resultados foram publicados na revista Materials Today e poderia levar a um novo tipo de processamento de informações em sistemas eletrônicos.

Processando informações dinamicamente em vez de serialmente

"Os computadores processam informações em série, enquanto nosso cérebro processa informações em paralelo e dinamicamente. Isso é muito mais rápido e usa menos energia, por exemplo, no reconhecimento de padrões", diz o Prof Dr. Hermann Kohlstedt, Professor de Nanoeletrônica e porta-voz do Centro de Pesquisa Colaborativa 1461 Neurotrônica na Universidade de Kiel.

Os pesquisadores querem usar a natureza como fonte de inspiração para novos componentes eletrônicos e arquiteturas de computadores. Ao contrário dos chips, transistores e processadores convencionais, eles são projetados para processar sinais de maneira semelhante à rede de neurônios e sinapses em constante mudança em nosso cérebro.

"Mas os computadores ainda são baseados na tecnologia do silício. Embora tenha havido um progresso impressionante no hardware em termos de xy, as redes de neurônios e sinapses permanecem incomparáveis ​​em termos de conectividade e robustez", diz o Dr. Alexander Vahl, cientista de materiais. A pesquisa de novos materiais e processos é necessária para mapear a dinâmica do processamento da informação biológica.

A equipe de pesquisa concentrou-se, portanto, no desenvolvimento de materiais que se comportassem dinamicamente de maneira semelhante aos sistemas nervosos biológicos tridimensionais. "Dinâmico" é criado aqui pelo fato de que o arranjo dos átomos e partículas nos materiais pode mudar. Para tanto, os pesquisadores identificaram sete princípios básicos que o hardware do computador deve cumprir para funcionar de forma semelhante ao cérebro.

Estes incluem, por exemplo, um certo grau de mutabilidade:a chamada plasticidade do cérebro é um requisito para processos de aprendizagem ou memória. Os materiais que os investigadores desenvolveram em resposta a isto cumprem vários destes princípios básicos. Porém, o material “definitivo” que cumpre tudo ainda não existe.

Além da tecnologia clássica de silício

“Quando combinamos esses materiais entre si ou com outros materiais, abrimos possibilidades para computadores que vão além da tecnologia tradicional de silício”, diz o Prof. Rainer Adelung, Professor de Nanomateriais Funcionais. "A indústria e a sociedade precisam cada vez mais de poder computacional, mas estratégias como a miniaturização da eletrônica estão agora atingindo seus limites técnicos em computadores padrão. Com nosso estudo, queremos abrir novos horizontes."

A título de exemplo, Maik-Ivo Terasa, pesquisador doutor em ciência dos materiais e um dos primeiros autores do estudo, descreve o comportamento incomum das redes granulares especiais desenvolvidas pela equipe de pesquisa. “Se produzirmos nanopartículas de prata-ouro de uma determinada forma e aplicarmos um sinal elétrico, elas apresentam propriedades especiais. Elas são caracterizadas por um equilíbrio entre estabilidade e uma rápida mudança em sua condutividade”. De forma semelhante, o cérebro funciona melhor quando existe um equilíbrio entre plasticidade e estabilidade, conhecido como criticidade.

Em mais três experimentos, os pesquisadores mostraram que tanto as nanopartículas de óxido de zinco quanto os filamentos metálicos formados eletroquimicamente podem ser usados ​​para alterar os caminhos da rede por meio da entrada elétrica dos osciladores. Quando a equipe de pesquisa acoplou esses circuitos, as deflexões dos sinais elétricos foram sincronizadas ao longo do tempo. Algo semelhante acontece durante a percepção sensorial consciente com os impulsos elétricos que trocam informações entre os neurônios.

Mais informações: Maik-Ivo Terasa et al, Caminhos para primitivas de computação verdadeiramente semelhantes ao cérebro, Materials Today (2023). DOI:10.1016/j.mattod.2023.07.019
Informações do diário: Materiais hoje

Fornecido pela Universidade de Kiel