Avanços em dispositivos que simulam o funcionamento do cérebro humano
A computação neuromórfica representa um novo paradigma na área de computação, buscando replicar a operação cerebral tanto em sua estrutura quanto em sua dinâmica. Este conceito envolve a criação de circuitos eletrônicos que processam e armazenam informações de maneira integrada, semelhante às redes de neurônios e sinapses presentes no cérebro.
Nesse contexto, um grupo internacional de cientistas, incluindo Victor Lopez-Richard, professor titular no Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (CCET-UFSCar), desenvolveu um novo dispositivo eletrônico. A pesquisa resultante foi divulgada na Nature Communications, representando um marco significativo para o campo da computação neuromórfica.
Ao contrário dos computadores tradicionais, que mantêm as funções de processamento e memória separadas, a computação neuromórfica busca unificar essas capacidades em um único substrato físico, imitando as sinapses biológicas.
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“O dispositivo é baseado na interface entre dois óxidos: LaAlO₃ [óxido de lantânio e alumínio] e SrTiO₃ [titanato de estrôncio]. Nessa interface forma-se um gás quase bidimensional de elétrons, que atua como canal condutor e pode ser modulado eletricamente. O resultado é essencialmente um transistor, mas que pode desempenhar também as funções de memristor e memcapacitor”, explica Lopez-Richard.
Transistores são elementos que controlam o fluxo da corrente elétrica em circuitos, funcionando como chaves ou amplificadores; resistores dificultam essa passagem; enquanto capacitores armazenam carga elétrica para liberá-la posteriormente. No dispositivo desenvolvido, essas funções não estão isoladas, mas sim integradas com uma característica adicional: a memória. Assim, além das funções típicas do transistor, ele pode atuar como memristor – um resistor cuja resistência varia com o histórico dos sinais aplicados – e memcapacitor – capacitor cuja capacitância também depende do histórico do sistema.
Essa característica histórica aproxima esses componentes do comportamento sináptico. Além disso, o dispositivo apresenta uma configuração e funcionamento inovadores. “Em termos arquitetônicos, a diferença é que possui portas de controle nas laterais ao invés da configuração tradicional com o gate sobre o canal, comum nos transistores Mosfet”, destaca Lopez-Richard.
Os transistores Mosfet (sigla para metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) são utilizados para controlar, amplificar ou chavear sinais elétricos. Com três terminais principais – gate, que controla o dispositivo; source, onde os elétrons entram; e drain, por onde saem – eles atuam como uma “torneira elétrica”, permitindo ou bloqueando a corrente elétrica entre a fonte e o dreno conforme a tensão aplicada na porta.
Entretanto, o dispositivo em questão possui uma configuração distinta.
No que diz respeito ao seu funcionamento, trata-se de uma peça analógica em um ambiente predominantemente digital. “A operação analógica possibilita múltiplos estados intermediários, ao contrário dos transistores digitais convencionais que operam apenas em dois estados – ligado ou desligado”, esclarece o pesquisador.
Um aspecto fundamental deste estudo é identificar o mecanismo físico responsável pela memória. Embora o gás bidimensional de elétrons seja crucial para a condução elétrica, não é ele quem transporta a memória principal. “Esse gás influencia a memória; no entanto, o estado que define esse efeito está relacionado às cargas armazenadas nas portas laterais. Estas controlam o canal condutor”, afirma Lopez-Richard. Esse acúmulo ocorre gradualmente e é controlado por efeitos eletrostáticos, diferindo do mecanismo frequentemente associado a dispositivos com memória baseado na migração de vacâncias de oxigênio.
Uma das inovações mais notáveis do trabalho é o conceito de polimorfismo eletrônico — a habilidade de um único dispositivo desempenhar diferentes funções dependendo da configuração elétrica utilizada. “Basta conectar ou desconectar uma porta para alterar sua função”, resume o pesquisador. Os autores acreditam que essa integração funcional pode diminuir significativamente tanto as interconexões necessárias quanto o consumo energético — desafios significativos na computação contemporânea.
As análises demonstraram que o dispositivo consegue realizar diversas funcionalidades inspiradas no cérebro: reservoir computing, reconhecendo padrões simples (como dígitos entre 0 e 9 em imagens com baixa resolução) através da exploração da não linearidade e memória curta; plasticidade sináptica — reforçando respostas após estímulos repetidos como ocorre no aprendizado; além da lógica reconfigurável — permitindo executar e armazenar operações lógicas como “and”, “or” e “not” diretamente no próprio aparelho sem depender de memória externa. Também foi observado um consumo energético por operação na ordem de poucos nanojoules, inferior ao das arquiteturas convencionais semelhantes.
A colaboração científica prolongada
Embora os resultados sejam promissores, os pesquisadores enfatizam que ainda estão nos passos iniciais dessa jornada. “O que apresentamos são provas conceituais dentro da pesquisa básica. Para desenvolver um produto comercial viável teremos que enfrentar diversos obstáculos como escalabilidade, integração com tecnologias existentes e controle das variações entre dispositivos”, admite Lopez-Richard.
Este projeto decorre de uma colaboração internacional estabelecida há mais de dez anos. “Nossa parceria com a Universidade de Würzburg na Alemanha teve início com um projeto financiado pela Fapesp entre 2013 e 2015. Embora esse projeto tenha sido finalizado, nossa colaboração continua ativa”, relata Lopez-Richard.
A pesquisa atual recebeu apoio da Fapesp através do Projeto Regular intitulado “Exploração dos efeitos da memória em sistemas nanoestruturados e semicondutores” além do Auxílio à Reunião no Exterior.
Em um estudo complementar publicado na Applied Physics Letters, também selecionado como “artigo destaque” pelos editores da revista, os pesquisadores aprofundaram suas investigações sobre as propriedades capacitivas relacionadas à memória desses sistemas. “Neste trabalho combinamos dados experimentais com modelagem teórica para mostrar que a memcapacitância analógica é regida por mecanismos relacionados à localização das cargas nas portas laterais flutuantes. Isso possibilita um controle preciso e reversível sobre as características capacitivas dos dispositivos”, destaca Lopez-Richard. Essa pesquisa também contou com suporte da FAPESP.
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