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Chip analógico gasta 1.000 vezes menos energia que chip digital

Chip analógico gasta 1.000 vezes menos energia que chip digital
Os protótipos já estão em avançado estágio de desenvolvimento, quase prontos para uso. [Imagem: Fitrah Hamid/Georgia Tech]

Chip analógico programável

Um novo chip de computação analógica configurável utiliza 1.000 vezes menos energia elétrica do que seus equivalentes digitais e ainda pode ser construído até 100 vezes menor.

O circuito integrado foi batizado do FPAA (Matriz Analógica Programável em Campo), para mostrar sua equivalência aos FPGAs (Matriz de Portas Programável em Campo), que hoje dominam o mercado de chips por serem muito versáteis, podendo ser configurados após a fabricação.

A grande diferença é que o FPAA usa uma tecnologia analógica para obter uma redução sem precedentes no consumo de energia e nas dimensões do chip.

Como o dispositivo inclui um pequeno circuito digital para seu interfaceamento, bem como para a inserção da programação, os profissionais familiarizados com os FPGAs não terão problemas em usar a nova plataforma, que se espera seja útil em aplicações que exigem um baixo consumo de energia, como a eletrônica embarcada em outros aparelhos e veículos, além da computação que tenta imitar o cérebro.

"Mas, em outros aspectos, o FPAA vai parecer bem diferente. Em termos da energia necessária, ele é extremamente diferente, porque você só precisa de miliwatts para fazer o dispositivo analógico funcionar, enquanto é difícil conseguir fazer um FPGA funcionar com menos de um watt," disse Jennifer Hasler, do Instituto de Tecnologia da Geórgia (EUA).

Computação analógica

A tecnologia analógica tem sido usada principalmente em circuitos com estrutura fixa, como sensores que fazem a interface entre os aparelhos digitais e o mundo real, tipicamente analógico. Isso inclui, por exemplo, os circuitos que detectam e reproduzem o som nos telefones e aparelhos de som e as fontes que controlam o suprimento de energia, entre uma série inumerável de exemplos.

Esses circuitos dedicados, de função única, não conseguem executar a computação feita pelos circuitos digitais, baseada em software.

Para superar essa deficiência, a equipe de Hasler desenvolveu técnicas que executam os cálculos usando uma arquitetura física no estilo analógico posicionando os elétrons em uma estrutura conectiva. Isto é diferente dos FPGAs, que processam os elétrons através de portas flutuantes, de modo similar aos semicondutores digitais convencionais, como as memórias e CPUs.

Chip analógico gasta 1.000 vezes menos energia que chip digital
A equipe está finalizando uma ferramenta de código aberto para a programação dos seus chips analógicos, que possuem também os circuitos digitais necessários para o interfaceamento com a eletrônica digital. [Imagem: Michelle Collins et al.]

Para programar o ambiente analógico, os elétrons são manipulados de forma precisa usando técnicas de injeção e tunelamento de elétrons. Os dados são gravados elevando o número de elétrons em posições específicas para um valor exato e bem definido, e baixando-os ao menor valor possível para apagar os dados.

"O nosso chip FPAA tem cerca de meio milhão desses parâmetros programáveis," explica Hasler. "Eles podem ser usados como um interruptor, em um estilo digital - usando o menor valor possível para desligado ou o maior valor possível para ligado - ou nós podemos obter até mesmo comportamentos ainda mais ricos usando valores intermediários."

Computação física

Outra vantagem do chip analógico é que ele é não-volátil, o que significa que os dados são mantidos mesmo quando a energia é desligada, similar às memórias flash.

"Além de ser não-volátil, nossa arquitetura analógica nos permite fazer algo bastante radical - podemos calcular usando o roteamento do chip, explorando áreas que normalmente são consideradas apenas peso morto.

"Para isso, nós desenvolvemos interruptores altamente eficientes que podem ser programados, desligados ou ficarem no meio-termo - parcialmente ligados e parcialmente desligados. Esta flexibilidade fornece mais recursos de computação e consumo reduzido de energia.

"Acreditamos que a tecnologia analógica oferece formas muito poderosas de olhar para a computação física, com um considerável potencial para uso comercial, neuromórfico, militar e outras aplicações", concluiu Hasler.

Bibliografia:

An Open-Source Tool Set Enabling Analog-Digital-Software Co-Design
Michelle Collins, Jennifer Hasler, Suma George
Journal of Low Power Electronics and Applications
Vol.: 6(1), 3
DOI: 10.3390/jlpea6010003

Integrated Floating-Gate Programming Environment for System-Level ICs
S. Kim, J. Hasler, Suma George
IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems
Vol.: PP, Issue 99
DOI: 10.1109/TVLSI.2015.2504118

A Programmable and Configurable Mixed-Mode FPAA SoC
S. George, S. Kim, S. Shah, J. Hasler, M. Collins, F. Adil, R. Wunderlich, S. Nease, S. Ramakrishnan
IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems
Vol.: PP, Issue 99
DOI: 10.1109/TVLSI.2015.2504119




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