Analógico e digital: o melhor dos dois mundos em uma só energia

Vivemos num mundo analógico de fluxo contínuo de informações que são processadas e armazenadas pelos nossos cérebros ao mesmo tempo, mas os nossos dispositivos processam informações digitalmente na forma de código binário discreto, dividindo as informações em pequenos pedaços (ou mordidas). Pesquisadores da EPFL revelaram uma tecnologia pioneira que combina o potencial do processamento analógico contínuo com a precisão dos dispositivos digitais. Ao integrar perfeitamente semicondutores bidimensionais ultrafinos com materiais ferroelétricos, a pesquisa, publicada na Nature Electronics, revela uma nova maneira de melhorar a eficiência energética e adicionar novas funcionalidades na computação. A nova configuração mescla a lógica digital tradicional com operações analógicas semelhantes às do cérebro.

Eletrônica mais rápida e eficiente

A inovação do Laboratório de Dispositivos Nanoeletrônicos (Nanolab), em colaboração com o Laboratório de Microsistemas, gira em torno de uma combinação única de materiais que levam a funções inspiradas no cérebro e interruptores eletrônicos avançados, incluindo o notável Transistor de Efeito de Campo de Túnel de capacitância negativa (TFET). No mundo da eletrônica, um transistor ou “interruptor” pode ser comparado a um interruptor de luz, determinando se a corrente flui (ligada) ou não (desligada). Esses são os famosos 1s e 0s da linguagem binária de computador, e essa simples ação de ligar e desligar é parte integrante de quase todas as funções de nossos dispositivos eletrônicos, desde o processamento de informações até o armazenamento de memória. O TFET é um tipo especial de switch projetado tendo em mente um futuro com consciência energética. Ao contrário dos transistores convencionais que requerem uma certa tensão mínima para serem ligados, os TFETs podem operar em tensões significativamente mais baixas. Este design otimizado significa que consomem consideravelmente menos energia durante a comutação, reduzindo significativamente o consumo geral de energia dos dispositivos nos quais estão integrados.

De acordo com o professor Adrian Ionescu, chefe do Nanolab, "Nossos esforços representam um salto significativo no domínio da eletrônica, tendo quebrado padrões de desempenho anteriores, e são exemplificados pelas excelentes capacidades do disseleneto de tungstênio/disseleneto de estanho de capacitância negativa TFET e o possibilidade de criar funções de neurônios sinápticos dentro da mesma tecnologia."

Sadegh Kamaei, candidato a doutorado na EPFL, aproveitou pela primeira vez o potencial de semicondutores 2D e materiais ferroelétricos em um sistema eletrônico totalmente co-integrado. As semiconduções 2D podem ser usadas para processadores digitais ultraeficientes, enquanto o material ferroelétrico oferece a possibilidade de processar continuamente e armazenar memória ao mesmo tempo. A combinação dos dois materiais cria a oportunidade de aproveitar o melhor das capacidades digitais e analógicas de cada um. Agora, o interruptor de luz da nossa analogia acima não é apenas mais eficiente em termos energéticos, mas a luz que ele acende pode brilhar ainda mais. Kamaei acrescentou: "Trabalhar com semicondutores 2D e integrá-los com materiais ferroelétricos tem sido um desafio, mas imensamente gratificante. As aplicações potenciais de nossas descobertas podem redefinir a forma como vemos e interagimos com dispositivos eletrônicos no futuro."

Combinando lógica tradicional com circuitos neuromórficos

Além disso, a investigação investiga a criação de interruptores semelhantes às sinapses biológicas – os intrincados conectores entre as células cerebrais – para a computação neuromórfica. "A pesquisa marca a primeira cointegração de circuitos lógicos de von Neumann e funcionalidades neuromórficas, traçando um caminho emocionante para a criação de arquiteturas de computação inovadoras caracterizadas por um consumo de energia excepcionalmente baixo e capacidades até então inexploradas de construção de funções neuromórficas combinadas com processamento digital de informações ", acrescenta Ionescu.

Tais avanços sugerem dispositivos eletrónicos que funcionam de forma paralela ao cérebro humano, casando a velocidade computacional com o processamento de informação de uma forma mais alinhada com a cognição humana. Por exemplo, os sistemas neuromórficos podem ser excelentes em tarefas com as quais os computadores tradicionais têm dificuldade, como reconhecimento de padrões, processamento de dados sensoriais ou mesmo certos tipos de aprendizagem. Esta mistura de lógica tradicional com circuitos neuromórficos indica uma mudança transformadora com implicações de longo alcance. O futuro poderá muito bem ver dispositivos que não sejam apenas mais inteligentes e rápidos, mas exponencialmente mais eficientes em termos energéticos.