Os pesquisadores, liderados pela Universidade de Cambridge, desenvolveram uma forma de óxido de háfnio que atua como um "memristor" altamente estável e de baixa energia — um componente projetado para imitar a maneira eficiente como os neurônios se conectam no cérebro. Os resultados foram publicados na revista Science Advances .

Os sistemas de IA atuais dependem de chips de computador convencionais que transferem dados entre a memória e as unidades de processamento. Esse movimento constante consome grandes quantidades de eletricidade, e a demanda global está explodindo à medida que a adoção da IA se expande por diversos setores.

A computação neuromórfica, inspirada no cérebro, é uma forma alternativa de processar informações que poderia reduzir o consumo de energia em até 70%, armazenando e processando informações no mesmo local e fazendo isso com consumo de energia extremamente baixo. Tal sistema também seria muito mais adaptável, da mesma forma que nossos próprios cérebros são capazes de aprender e se adaptar.

“O consumo de energia é um dos principais desafios do hardware de IA atual”, disse o autor principal, Dr. Babak Bakhit, do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia de Cambridge. “Para resolver isso, você precisa de dispositivos com correntes extremamente baixas, excelente estabilidade, uniformidade excepcional entre os ciclos de comutação e dispositivos, e a capacidade de alternar entre muitos estados distintos.”

A maioria dos memristores existentes depende da formação de minúsculos filamentos condutores dentro de um material de óxido metálico. No entanto, esses filamentos têm um comportamento imprevisível e normalmente exigem altas tensões de formação e operação, o que limita sua utilidade em sistemas de armazenamento e computação de dados em larga escala.

A equipe de Cambridge, por sua vez, criou um novo tipo de filme fino à base de háfnio que alterna entre estados de uma maneira completamente diferente. Ao adicionar estrôncio e titânio e cultivar o filme usando um método de duas etapas, os pesquisadores conseguiram formar minúsculos portões eletrônicos, ou 'junções pn', dentro do óxido, onde as camadas se encontram. Isso permite que o dispositivo altere sua resistência suavemente, deslocando a altura de uma barreira de energia na interface, em vez de aumentar ou romper os filamentos.

Bakhit, que também é afiliado ao Departamento de Engenharia de Cambridge, afirmou que esse mecanismo supera um dos maiores desafios no desenvolvimento da tecnologia de memristores. "Dispositivos filamentosos sofrem com comportamento aleatório", disse ele. "Mas, como nossos dispositivos comutam na interface, eles apresentam uma uniformidade excepcional de ciclo para ciclo e de dispositivo para dispositivo."

Utilizando dispositivos à base de háfnio, os pesquisadores alcançaram correntes de comutação cerca de um milhão de vezes menores do que as de alguns dispositivos convencionais à base de óxido. Os memristores também produziram centenas de níveis de condutância distintos e estáveis, um requisito fundamental para a computação analógica "na memória".

Testes de laboratório mostraram que os dispositivos conseguiam suportar de forma confiável dezenas de milhares de ciclos de comutação e armazenar seus estados programados por cerca de um dia. Eles também reproduziram regras fundamentais de aprendizagem observadas na biologia, como a plasticidade dependente do tempo de disparo: o mecanismo pelo qual os neurônios fortalecem ou enfraquecem suas conexões dependendo de quando os sinais chegam.

“Essas são as propriedades necessárias se você deseja um hardware capaz de aprender e se adaptar, em vez de apenas armazenar bits”, disse Bakhit.

No entanto, ainda existem alguns desafios a serem superados. O processo de fabricação atual exige temperaturas em torno de 700 °C — superiores às tolerâncias padrão de fabricação de semicondutores. "Este é atualmente o principal desafio em nosso processo de fabricação de dispositivos", disse Bakhit. "Mas agora estamos trabalhando em maneiras de reduzir a temperatura para torná-la mais compatível com os processos padrão da indústria."

Apesar disso, ele acredita que a tecnologia poderá, em última análise, ser integrada em sistemas de escala de chip. "Se conseguirmos reduzir a temperatura e colocar esses dispositivos em um chip, será um grande avanço", afirmou.

Bakhit, um físico de materiais, disse que a descoberta foi resultado de vários anos de experimentos sem sucesso. O ponto de virada ocorreu no final do ano passado, quando ele tentou uma variação do método de deposição em duas etapas, adicionando oxigênio somente após a formação da primeira camada.

“Passei quase três anos nisso”, disse ele. “Houve um número enorme de falhas. Mas, no final de novembro, vimos os primeiros resultados realmente bons. Ainda é cedo, claro, mas se conseguirmos resolver o problema da temperatura, essa tecnologia poderá revolucionar o setor, porque o consumo de energia é muito menor e, ao mesmo tempo, o desempenho do dispositivo é extremamente promissor.”

A pesquisa foi parcialmente financiada pelo Conselho Sueco de Pesquisa (VR), pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Real Academia de Engenharia, pela Royal Society e pelo UK Research and Innovation (UKRI). Um pedido de patente foi apresentado pela Cambridge Enterprise, o braço de inovação da universidade.