Resumo:
Uma equipe de pesquisa da Universidade de Würzburg, na Alemanha, desenvolveu um dispositivo eletrônico de interface de óxido que pode alternar entre três modos: transistor, memristor e memcapacitor, de acordo com o método de conexão do circuito. A pesquisa, publicada na Nature Communications, demonstra a possibilidade de integração de computação, memória e processamento de sinais na mesma plataforma material, fornecendo novas soluções experimentais para hardware de computação inspirado no cérebro.
O dispositivo é composto de óxido de alumínio de lantânio (LaAlO₃) e titanato de estrôncio (SrTiO₃). Ambos os materiais são isolantes individualmente, mas a interface de contato pode formar uma camada extremamente fina de gás de elétrons quase bidimensional, permitindo que os elétrons se movam ao longo da interface. Os pesquisadores controlaram esse canal condutor através de portas laterais para criar uma estrutura de nanofios; o canal condutor do dispositivo experimental tinha cerca de 100 nanômetros de largura e a distância entre o canal e a porta era de cerca de 400 nanômetros.
Sob diferentes condições de fiação e tensão, o mesmo dispositivo pode se comportar como um transistor, memristor ou memcapacitor. Os transistores regulam a corrente elétrica; os memristores retêm o histórico do sinal elétrico por meio de alterações na resistência; e os memcapacitores permitem que os estados de capacitância mudem em resposta às entradas anteriores. Esse efeito de “memória” permite que o circuito responda de maneira diferente à sequência de pulsos consecutivos, e a equipe de pesquisa construiu um circuito de cálculo do pool de reserva de acordo.
Os pesquisadores usaram uma imagem em preto e branco de 5×4 pixels para demonstrar o reconhecimento de números de 0 a 9, converteram cada linha da imagem em entrada de pulso e, em seguida, usaram a saída do dispositivo para formar diferentes características de estado, e a camada de classificação subsequente julgou o número. O teste usou um conjunto de dispositivos de reserva e treinou a camada de saída; esta é uma demonstração de hardware de uma tarefa específica e não significa que um único componente tenha capacidades gerais de inteligência artificial. O artigo também demonstra um circuito composto por transistores e memristores que podem realizar lógicas AND e OR e armazenar os resultados da operação dentro do circuito.
Sob condições de teste específicas do circuito de reconhecimento digital, a equipe de pesquisa mediu que cada pulso de entrada consome aproximadamente 2,71 nanojoules; utilizando um circuito de reserva de controle composto por transistores e memristores, consome aproximadamente 16,57 nanojoules em condições de trabalho semelhantes. Este resultado reflete a configuração do circuito testada no artigo e não pode ser diretamente equiparado ao consumo de energia de um sistema de IA completo ou de um produto real.
Os pesquisadores acreditam que esses dispositivos reconfiguráveis podem ajudar a reduzir a necessidade de transmissão de dados entre o processador e a memória na computação tradicional no futuro. Eles também podem ser usados em dispositivos vestíveis para processar localmente sinais fisiológicos, como frequência cardíaca, pressão arterial, temperatura corporal ou açúcar no sangue. No entanto, os resultados atuais ainda são materiais de laboratório e protótipos de circuitos; a fabricação em larga escala, a estabilidade, a integração com processos de chips existentes, bem como o consumo de energia e o desempenho em aplicações reais ainda precisam ser verificados mais detalhadamente.
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