La nueva tecnología podría permitir que las computadoras realicen tareas complicadas de manera más rápida y precisa mientras consumen mucha menos energía.
Nuevo dispositivo microelectrónico puede programar y reprogramar hardware de computadora bajo demanda usando pulsos eléctricos
¿Qué pasaría si una computadora pudiera aprender a volver a cablear sus circuitos en función de la información que recibe?
Una colaboración multiinstitucional, que incluye el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ha creado un material que se puede usar para crear chips de computadora que pueden hacer precisamente eso. Lo logra mediante el uso de los llamados circuitos «neuromorfos» y la arquitectura de la computadora para replicar las funciones cerebrales. Shriram Ramanathan, profesor de la Universidad de Purdue, dirigió el equipo.
«El cerebro humano en realidad puede cambiar como resultado de aprender cosas nuevas», dijo Subramanian Sankaranarayanan, coautor del artículo con una cita conjunta en Argonne y la Universidad de Illinois en Chicago. “Ahora hemos creado un dispositivo que permite a las máquinas reconfigurar sus circuitos como un cerebro”.
Con esta capacidad, las computadoras impulsadas por IA podrían realizar tareas difíciles de manera más rápida y precisa utilizando mucha menos energía. Un ejemplo es el análisis de imágenes médicas complejas. Los automóviles autónomos y los robots en el espacio que podrían reconfigurar sus circuitos en función de la experiencia son un ejemplo más futurista.
Los iones de hidrógeno en el niquelato permiten una de cuatro funciones a diferentes voltajes (aplicados por electrodos de platino y oro en la parte superior). Las funciones son sinapsis artificial, neurona artificial, condensador y resistencia. El capacitor almacena y libera corriente; la resistencia lo bloquea. Crédito: Laboratorio Nacional de Argonne
El material clave para el nuevo dispositivo está compuesto de neodimio, níquel y oxígeno y se llama niquelato de perovskita (NdNiO3). El equipo infundió hidrógeno en este material y le adjuntó electrodos que permiten aplicar pulsos eléctricos a diferentes voltajes.
«La cantidad de hidrógeno en el niquelado y su ubicación altera las propiedades electrónicas», dijo Sankaranarayanan. “Y podemos cambiar su ubicación y enfoque con diferentes impulsos eléctricos”.
«Este material tiene una personalidad de múltiples capas», agregó Hua Zhou, coautor del artículo y físico de Argonne. «Tiene las dos funciones habituales de la electrónica cotidiana: encender y bloquear la corriente eléctrica y almacenar y liberar electricidad. Lo que es realmente nuevo y sorprendente es agregar dos funciones similares al comportamiento separado de las sinapsis y las neuronas en el cerebro. Una neurona es una sola célula nerviosa que se conecta a otras células nerviosas a través de sinapsis. Las neuronas inician la detección del mundo exterior.
Por su aporte, el equipo de Argonne realizó la caracterización computacional y experimental de lo que sucede en el dispositivo de niquelado bajo diferentes voltajes. Con este fin, confiaron en las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne: la Fuente de fotones avanzada, la Instalación de computación de liderazgo de Argonne y el Centro de materiales a nanoescala.
Los resultados experimentales han demostrado que el simple cambio de voltaje controla el movimiento de los iones de hidrógeno en el niquelato. Cierto voltaje concentra el hidrógeno en el centro del niquelado, provocando un comportamiento similar al de las neuronas. Un voltaje diferente transporta este hidrógeno lejos del centro, produciendo un comportamiento similar al de una sinapsis. A voltajes aún diferentes, las ubicaciones resultantes y la concentración de hidrógeno activan las corrientes de encendido y apagado de los chips de computadora.
«Nuestros cálculos que revelaron este mecanismo a escala atómica fueron súper intensivos», dijo el científico de Argonne Sukriti Manna. El equipo se basó en el poder de cómputo no solo del Argonne Leadership Computing Facility, sino también del National Energy Research Scientific Computing Center, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
La confirmación del mecanismo provino, en parte, de experimentos en la línea de luz 33-ID-D de la Fuente Avanzada de Fotones.
«A lo largo de los años, hemos tenido una asociación muy productiva con Purdue Group», dijo Zhou. «Aquí, el equipo determinó exactamente cómo se organizan los átomos en niquelato bajo diferentes voltajes. El seguimiento de la respuesta del material a escala atómica al movimiento del hidrógeno fue particularmente importante.
Con el dispositivo de niquelado del equipo, los científicos trabajarán para crear una red de neuronas y sinapsis artificiales que puedan aprender y cambiar a partir de la experiencia. Esta red crecería o se reduciría a medida que se le presentara nueva información y así poder operar con una eficiencia energética extrema. Y esta eficiencia energética se traduce en menores costes operativos.
La microelectrónica inspirada en el cerebro con el dispositivo del equipo como componente básico podría tener un futuro brillante. Esto es tanto más cierto cuanto que el dispositivo puede fabricarse a temperatura ambiente mediante técnicas compatibles con las prácticas de la industria de los semiconductores.
El trabajo relacionado con Argonne fue financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE, así como por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias.
Referencia: «Electrónica de niquelato de perovskita reconfigurable para inteligencia artificial» por Hai-Tian Zhang, Tae Joon Park, ANM Nafiul Islam, Dat SJ Tran, Sukriti Manna, Qi Wang, Sandip Mondal, Haoming Yu, Suvo Banik, Shaobo Cheng, Hua Zhou, Sampath Gamage, Sayantan Mahapatra, Yimei Zhu, Yohannes Abate, Nan Jiang, Subramanian KRS Sankaranarayanan, Abhronil Sengupta, Christof Teuscher y Shriram Ramanathan, 3 de febrero de 2022, La ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abj7943