O cérebro humano necessita de aproximadamente 20 watts para processar informações. Reproduzir artificialmente determinadas capacidades de processamento, entretanto, pode demandar enormes quantidades de energia
Pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) estão desenvolvendo uma tecnologia capaz de reproduzir características do funcionamento do cérebro humano em dispositivos eletrônicos. O avanço envolve memristores que podem realizar operações e armazenar informações no mesmo espaço, com a vantagem de funcionar em temperatura ambiente, sem necessidade de sistemas externos de resfriamento.
Os estudos são coordenados pelos pesquisadores Victor Lopez-Richard e Marcio Peron Franco de Godoy, ambos do Departamento de Física da UFSCar, e buscam enfrentar dois dos principais desafios relacionados ao avanço da computação: o elevado consumo de energia e o espaço físico necessário para processamento e armazenamento de informações.
A pesquisa ganha importância diante do crescimento da utilização de chips em praticamente todos os setores da sociedade. Se inicialmente esses componentes estavam associados principalmente ao armazenamento de dados, hoje a tecnologia avança para sistemas capazes também de reproduzir processos relacionados à memória e ao aprendizado.
Tecnologia desenvolvida na UFSCar imita conexões do cérebro
Um dos pontos centrais da pesquisa está nos chamados memristores, termo derivado de memory resistor. O conceito existe desde o início da década de 1970 e prevê componentes capazes de manter informações sobre estados anteriores.
A vantagem dessa tecnologia é permitir que determinadas operações lógicas e o armazenamento dos resultados ocorram no mesmo espaço. Essa característica aproxima o funcionamento dos dispositivos da maneira como o cérebro humano processa e guarda informações.
Nos sistemas computacionais convencionais, processamento e memória normalmente dependem de diferentes estruturas e da movimentação constante de dados entre elas. A proposta dos dispositivos neuromórficos é reduzir essa necessidade, diminuindo a quantidade de interconexões, o espaço ocupado e, consequentemente, o consumo energético.
Memristores reproduzem mecanismo relacionado ao aprendizado
No cérebro humano existe um fenômeno conhecido como plasticidade sináptica. Quando um neurônio dispara, sua conexão com o neurônio seguinte pode ser fortalecida ou enfraquecida. Quando determinados neurônios são ativados repetidamente e em sequência, essas conexões podem se fortalecer, processo associado à formação de memória e ao aprendizado.
Os memristores estudados nos laboratórios da UFSCar conseguem reproduzir comportamento semelhante.
Há, porém, uma diferença fundamental: enquanto nas sinapses humanas ocorre o transporte de íons, nos dispositivos desenvolvidos pelos pesquisadores são elétrons que ficam armazenados.
Dessa maneira, materiais eletrônicos passam a apresentar uma espécie de “memória” de estados anteriores, característica fundamental para o desenvolvimento da chamada computação neuromórfica, inspirada na organização e no funcionamento das redes de neurônios.
Cérebro humano consome cerca de 20 watts
A eficiência energética é um dos grandes desafios que motivam esse tipo de pesquisa.
O cérebro humano necessita de aproximadamente 20 watts para processar informações. Reproduzir artificialmente determinadas capacidades de processamento, entretanto, pode demandar enormes quantidades de energia, além de estruturas de refrigeração para impedir o superaquecimento dos equipamentos.
É justamente nesse aspecto que o trabalho desenvolvido na UFSCar apresenta uma característica importante.
Dependendo da configuração do circuito, o dispositivo estudado pode funcionar como transistor, capacitor ou memristor. Além disso, ele consegue operar em temperatura ambiente, sem necessidade de resfriamento externo.
Essa propriedade pode contribuir para uma redução significativa do consumo energético associado a futuras aplicações da tecnologia.
Óxido de zinco apresentou capacidade de armazenar memória
O caminho que levou os pesquisadores até os dispositivos neuromórficos começou com estudos anteriores realizados na própria UFSCar.
Pesquisas com sensores de gás produzidos à base de óxido de zinco mostraram que esses materiais também apresentavam capacidade de guardar memória.
A descoberta levou os grupos coordenados por Lopez-Richard e Godoy a aprofundarem os estudos sobre a utilização desses materiais como sensores para dispositivos neuromórficos.
Outro comportamento chamou a atenção dos cientistas: o aumento da temperatura melhorava o desempenho do material, tanto em velocidade quanto em eficiência.
A característica representa uma diferença relevante em relação aos semicondutores convencionais, que normalmente enfrentam problemas de desempenho relacionados ao aquecimento e demandam mecanismos de refrigeração.
O óxido de zinco apresenta ainda outras vantagens apontadas pelos pesquisadores: trata-se de um material abundante e com menor impacto ambiental.
Tecnologia pode ajudar a criar eletrônicos inspirados no cérebro
Os resultados abrem caminho para uma nova geração de componentes eletrônicos que procuram reproduzir características das conexões existentes entre os neurônios.
A possibilidade de combinar processamento e memória, diminuir o número de componentes e operar sem sistemas externos de refrigeração coloca a eficiência energética entre os aspectos mais promissores da pesquisa.
Os trabalhos desenvolvidos pelos pesquisadores da UFSCar foram destacados em reportagem da Revista Pesquisa FAPESP e também em artigo publicado na revista científica Nature Communications.
A pesquisa reforça a participação da Universidade Federal de São Carlos no desenvolvimento de novas tecnologias relacionadas à física de materiais, eletrônica e computação neuromórfica.
Leia mais: Mais um acidente grave deixa uma pessoa morta na Washington Luís
