Nova pesquisa revela chip inspirado no cérebro humano que promete reduzir o consumo de energia da IA

Pesquisadores da Universidade de Cambridge publicaram recentemente um estudo no periódico Science Advances sobre um novo tipo de memristor de óxido de hafnio. O destaque dessa tecnologia inovadora é que ela funciona com correntes de comutação aproximadamente um milhão de vezes inferiores às utilizadas em dispositivos convencionais baseados em óxidos.

A equipe, liderada pelo Dr. Babak Bakhit do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia, desenvolveu um filme fino multicomponente que forma uma junção p-n interna, permitindo que o dispositivo altere seus estados suavemente com correntes inferiores a 10 nanoampères, gerando centenas de níveis distintos de condutância.

Os memristores são dispositivos de dois terminais que podem armazenar e processar dados no mesmo local físico, eliminando a necessidade de mover dados entre unidades separadas de memória e processamento, o que é comum na arquitetura de computadores tradicionais. Sistemas neuromórficos construídos com memristores poderiam reduzir o consumo de energia computacional em mais de 70%, conforme mencionado no estudo.

A maioria dos memristores baseados em HfO2 existentes depende de uma comutação resistiva filamentar, onde caminhos condutores se formam e se rompem dentro do óxido. Esses filamentos apresentam comportamento aleatório, resultando em baixa uniformidade entre dispositivos e ciclos, o que limita a precisão computacional.

A equipe de Cambridge adotou uma abordagem diferente, adicionando estrôncio e titânio ao óxido de hafnio e depositando o filme em um processo de duas etapas. Isso resultou em uma camada p-tipo Hf(Sr,Ti)O2 que se auto-organiza em uma interface p-n com uma camada subjacente de óxido nitreto de titânio tipo n. As mudanças de resistência ocorrem pela alteração da altura da barreira de energia nessa interface, ao invés de formar ou romper filamentos.

Os dispositivos demonstraram correntes de comutação em 10⁻⁸ amperes ou abaixo disso, com retenção superior a 10⁵ segundos e resistência a mais de 50.000 ciclos de comutação. Utilizando picos de 1.0 V semelhantes aos sinais neurais biológicos, os pesquisadores conseguiram uma gama de modulação de condutância superior a 50 vezes, abrindo caminho para centenas de níveis distintos sem saturação.

A energia de atualização sináptica variou de aproximadamente 2,5 picojoules a cerca de 45 femtojoules. Os dispositivos também reproduziram a plasticidade dependente do tempo dos picos e mantiveram operação sináptica estável ao longo de aproximadamente 40.000 picos eletrônicos.

Entretanto, um desafio significativo ainda persiste: o processo atual de deposição requer temperaturas em torno de 700°C, que ultrapassam as tolerâncias de fabricação CMOS padrão. A equipe está trabalhando para desenvolver métodos que reduzam essa temperatura, tornando o processo mais compatível com as práticas industriais convencionais.

Todos os materiais utilizados na estrutura do dispositivo são totalmente compatíveis com a tecnologia CMOS, e um pedido de patente foi protocolado pela instituição. As inovações no campo dos memristores prometem avanços surpreendentes na computação e na eficiência energética, destacando a importância da pesquisa nesta área emergente.