Computação que imita o cérebro precisa de uma base teórica para deslanchar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/11/2023

Proposta inicial para uma teoria da computação neuromórfica.
[Imagem: Herbert Jaeger et al. - 10.1038/s41467-023-40533-1]

Computação analógica

Está em curso uma busca intensa e mundial por novos materiais para construir chips de computador que não sejam baseados em transistores clássicos, mas em componentes semelhantes ao cérebro, ou neuromórficos, que consomem muito menos energia e podem até funcionar com base na luz, em vez de eletricidade.

Contudo, enquanto a base teórica para os computadores digitais atuais baseados em transistores seja sólida, não existem diretrizes teóricas reais para a criação de computadores semelhantes ao cérebro. E uma teoria que guie as pesquisas está se mostrando absolutamente necessária para colocar os esforços em terreno sólido.

Os computadores digitais são máquinas lógicas e sua programação também é baseada no raciocínio lógico, mas nosso cérebro não é um sistema lógico. Podemos raciocinar logicamente, mas isso é apenas uma pequena parte do que o nosso cérebro faz. Na maioria das vezes, é preciso descobrir como levar a mão a uma xícara de chá ou acenar para um colega ao passar por eles no corredor.

"Muito do processamento de informações que nosso cérebro faz é algo não lógico, sendo contínuo e dinâmico. É difícil formalizar isso em um computador digital, explica o professor Herbert Jaeger, da Universidade de Groningen, na Alemanha. Além disso, nossos cérebros continuam funcionando apesar de "grandes variações no hardware", como flutuações na pressão arterial, na temperatura externa e interna ou no equilíbrio hormonal.

Como é possível criar um computador artificial tão versátil e robusto? O professor Jaeger está otimista: "A resposta simples é: O cérebro é a prova de princípio de que isso pode ser feito."

Efeitos da reconfiguração dinâmica na modelagem de uma "computação fluente", o nome que a equipe dá para a computação analógica que imita o cérebro.
[Imagem: Herbert Jaeger et al. - 10.1038/s41467-023-40533-1]

Teoria da computação neuromórfica

Poder ser feito e saber como fazer, contudo, são coisas bem diferentes. É aí que o professor Jaeger e seus colegas defendem que está faltando uma teoria que fundamente e dirija os esforços.

"Mesmo os neurocientistas não sabem exatamente como o cérebro funciona. É aqui que a falta de uma teoria para computadores neuromórficos é problemática. No entanto, o campo parece não ver isso," disse o pesquisador.

Mas os primeiros passos já foram dados. Jaeger e seus colegas Beatriz Noheda e Wilfred van der Wiel (Universidade de Twente) desenvolveram um esboço de como deverá ser uma teoria para os computadores não digitais. Eles propõem que, em vez de chaves 0/1 estáveis (os transistores), a teoria deveria trabalhar com sinais analógicos contínuos. E a teoria também precisa acomodar a riqueza de efeitos físicos não-padronizados em nanoescala que os cientistas de materiais estão investigando.

E não é só que não saibamos como o cérebro funciona: Ainda não sabemos como fazer neurônios artificiais direito. "[Os cientistas dos materiais] podem fabricar algo feito de algumas centenas de átomos e que oscilará, ou algo que mostrará explosões de atividade. E eles dirão: 'É assim que os neurônios funcionam, então vamos construir uma rede neural'," exemplifica o pesquisador.

Mas basta tentar fabricar mais desses neurônios que logo se vê que é muito difícil fabricar nanodispositivos desse tipo que sejam idênticos entre si ou que, no mínimo, apresentem o mesmo comportamento, assim como fazemos com os transistores. Por outro lado, uma nova teoria poderá eventualmente mostrar que isto não é necessário, já que tampouco os neurônios do nosso cérebro são cópias de padrão industrial uns dos outros.

Apesar da falta de sustentação téorica para a computação analógica, já existem protótipos avançados, como este que une computação analógica e digital em um único chip.
[Imagem: EPFL]

Esforço multidisciplinar

A tão desejada teoria que sustente a computação neuromórfica não será uma teoria única, mas será construída a partir de muitas subteorias. "Na verdade, é assim que a teoria da computação digital também funciona: É um sistema em camadas de subteorias conectadas," propõe Jaeger.

Assim, a criação de tal descrição teórica dos computadores neuromórficos exigirá uma estreita colaboração de cientistas de várias áreas, incluindo teóricos e experimentalistas de cada uma delas. "Os cientistas da computação devem estar cientes da física de todos esses novos materiais e os cientistas dos materiais devem estar cientes dos conceitos fundamentais da computação," disse Jaeger.

Fazer a ponte entre a ciência dos materiais, a neurociência, a ciência da computação e a engenharia está no cerne da proposta prática dos três pesquisadores, que estão promovendo a criação de um grupo multidisciplinar, batizado de CogniGron (Centro de Sistemas Cognitivos e Materiais de Groningen). "Todos temos os nossos pontos cegos," declarou Jaeger. "E a maior lacuna em nosso conhecimento é uma teoria fundamental para a computação neuromórfica. Nosso artigo é uma primeira tentativa de apontar como tal teoria poderia ser construída e como podemos criar uma linguagem comum."

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