Para imitar o cérebro, faça computadores de carbono

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/08/2021

O fotomemoristor é controlado por luz ou por eletricidade.
[Imagem: Y. Mizuno et al. - 10.1016/j.carbon.2021.06.060]

Dos transistores às sinapses artificiais

Pesquisadores japoneses podem estar dando não um passo, mas um salto na computação neuromórfica, com um novo componente que imita o cérebro humano: Junções grafeno-diamante alinhadas verticalmente.

O cérebro humano é ótimo em processar dados altamente complexos, como imagens e sons, com alta eficiência. Enquanto isso, as arquiteturas dos computadores atuais estão com dificuldades cada vez maiores em atender à demanda de tratamento desses dados complexos, limitando a velocidade de processamento.

As arquiteturas neuromórficas de computação tentam resolver esse problema justamente imitando a rede neural do cérebro.

Um fenômeno essencial para a memória e o aprendizado é a plasticidade sináptica, a capacidade das sinapses, as conexões neuronais, de se adaptarem em resposta a um aumento ou diminuição da atividade.

Esse efeito tem sido recriado usando transistores e memoristores, componentes que memorizam os valores que armazenaram no passado.

Mais recentemente, memoristores controlados por luz, ou fotomemoristores, conseguiram detectar luz e fornecer memória não volátil, semelhante à percepção visual e à memória humanas.

Fotomemoristor

As excelentes propriedades dos fotomemoristores abriram as portas para um novo mundo de materiais que podem atuar como sinapses optoeletrônicas artificiais.

Foi isso que motivou a equipe da Universidade de Nagoya a projetar junções de grafeno-diamante que podem imitar as características das sinapses biológicas e as funções de memória, abrindo o caminho para a fabricação de uma nova geração de circuitos neuromórficos.

Umas das primeiras aplicações da computação neuromórfica será na inteligência artificial embutida no hardware.
[Imagem: HZDR/Sahneweib/H. Schultheiss]

O novo componente é formado pela união de grafeno alinhado verticalmente e filmes finos de diamante. As junções mimetizam as funções sinápticas biológicas, como a produção de "corrente pós-sináptica excitatória" (EPSC) - a carga induzida por neurotransmissores na membrana sináptica - quando estimulada com pulsos ópticos, além de outras funções cerebrais básicas, como a transição da memória de curto prazo (STM) para memória de longo prazo (LTM).

E, além dessas funções sinápticas biológicas (EPSC, STM e LTM), os memoristores optoeletrônicos também apresentaram uma facilitação de pulso pareado de 300% - um aumento na corrente pós-sináptica quando precedida de perto por uma sinapse anterior.

"Nossos cérebros estão bem equipados para filtrar as informações disponíveis e armazenar o que é importante. Tentamos algo semelhante com nossos arranjos de diamante e grafeno alinhados verticalmente, que emulam o cérebro humano quando expostos a estímulos ópticos," disse o professor Kenji Ueda. "Este estudo foi iniciado devido a uma descoberta em 2016, quando encontramos uma grande mudança de condutividade induzida opticamente nas junções de grafeno-diamante."

Carbonos hibridizados

Segundo a equipe, o fotomemoristor funciona conforme os arranjos grafeno-diamante passam por reações redox, induzidas por luz fluorescente e LEDs azuis, sob uma tensão de polarização.

Os pesquisadores atribuem o efeito à presença de carbonos hibridizados de maneira diferente - grafeno e diamante são feitos de carbono puro - na interface da junção, o que leva à migração de íons em resposta à luz e, por sua vez, permite que as junções executem funções fotossensíveis e fotocontroláveis, semelhantes àquelas realizados pela retina e pelo cérebro.

Além disso, os arranjos grafeno-diamante superaram o desempenho dos materiais fotossensíveis convencionais à base de metais raros, tanto em termos de fotossensibilidade, quanto de simplicidade estrutural.

O próximo passo será usar os fotomemoristores para construir circuitos capazes de realizar cálculos computacionais.

Mais tópicos