Os cientistas desenvolveram um componente para um computador neuromórfico
As redes neurais são uma das ferramentas de inteligência artificial (IA) mais importantes: elas imitam o funcionamento do cérebro humano e podem reconhecer texto, linguagem e imagens com segurança, para citar apenas alguns. Até agora, eles estão rodando em processadores tradicionais na forma de software adaptável, mas os especialistas estão trabalhando em um conceito alternativo - um "computador neuromórfico".
Nesse caso, os pontos de comutação do cérebro - neurônios - não são modelados em software, mas reconstruídos por componentes de hardware. Uma equipe de pesquisadores da Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) demonstrou uma nova abordagem para esse tipo de equipamento - ondas magnéticas direcionadas que são geradas e divididas em placas do tamanho de um micrômetro. Olhando para o futuro, isso pode significar que as tarefas de otimização e reconhecimento de padrões podem ser realizadas mais rapidamente e com menos energia. Os pesquisadores apresentaram seus resultados na revista Physical Review Letters.
Os cientistas basearam suas pesquisas em um minúsculo disco feito de material magnético de ferro-níquel, com apenas alguns micrômetros de diâmetro. Em torno desse disco está um anel de ouro: quando uma corrente alternada na faixa de gigahertz flui por ele, ela emite microondas que excitam as chamadas ondas de spin no disco.
“Os elétrons no ferro-níquel apresentam um spin, uma espécie de spin no lugar, mais ou menos como um pião”, explica Helmut Schulheiss da HZDR. "Estamos usando pulsos de microondas para eliminar um pouco o topo dos elétrons." Os elétrons então transmitem esse distúrbio para seus vizinhos, o que faz com que a onda de spin viaje pelo material. Dessa forma, as informações podem ser transmitidas de maneira muito eficiente, sem a necessidade de mover os próprios elétrons, como é o caso dos chips de computador modernos.
Em 2019, os pesquisadores descobriram algo notável: sob certas circunstâncias, uma onda de spin gerada em um vórtice magnético pode ser dividida em duas ondas, cada uma com uma frequência reduzida.
“Os chamados efeitos não lineares são os responsáveis por isso”, explicam os cientistas. "Eles só ativam quando a potência de microondas irradiada excede um certo limite." Esse comportamento sugere que as ondas de spin são candidatas promissoras para neurônios artificiais, porque há um paralelo surpreendente de como o cérebro funciona: esses neurônios também disparam apenas quando um certo limite de estímulo é excedido.
No entanto, no início, os cientistas foram incapazes de controlar com muita precisão a divisão da onda de spin. Portanto, a equipe teve que encontrar uma maneira de resolver o problema que agora descrevem em Physical Review Letters: Além do anel de ouro, uma pequena faixa magnética é fixada na placa magnética. Um curto sinal de microondas gera uma onda de spin nesta faixa, que pode interagir com a onda de spin na placa e, assim, agir como uma espécie de isca.
A onda de spin na tira faz com que a onda na placa se divida mais rapidamente. “Um sinal adicional muito curto é suficiente para que a separação ocorra mais rapidamente”, explicam os pesquisadores. "Isso significa que podemos agora iniciar o processo e controlar o atraso."
"A próxima coisa que queremos fazer é construir uma pequena rede com nossos neurônios de onda de spin", dizem os pesquisadores. "Esta rede neuromórfica deve então realizar tarefas simples, como reconhecer padrões simples."
O reconhecimento de rosto e padrão é uma das principais aplicações da IA. Por exemplo, o reconhecimento de rosto em um smartphone elimina a necessidade de inserir uma senha. Para que isso funcione, a rede neural precisa ser treinada com antecedência, o que requer enorme poder de computação e grandes quantidades de dados. Os fabricantes de smartphones transferem essa rede para um chip especial, que é integrado ao telefone celular. Mas o chip tem um ponto fraco. Não responde, por isso não reconhece rostos mascarados, por exemplo.
Por outro lado, um computador neuromórfico também pode lidar com situações semelhantes: ao contrário dos chips convencionais, seus componentes não são rigidamente conectados, mas funcionam como células nervosas no cérebro. Graças a isso, o computador neuromórfico pode processar grandes quantidades de dados simultaneamente, como um ser humano, e ao mesmo tempo é muito eficiente em termos de energia. Além do reconhecimento de padrões, o novo tipo de computador pode ser útil em outra área economicamente significativa: para tarefas de otimização, como planejadores de rotas de alta precisão em smartphones.