doi.org/10.1038/s41586-024-07921-z
Credibilidade: 989
#Computação
Inspirando-se na natureza, pesquisadores descobriram uma classe de materiais que se comportam como axônios, fortalecendo espontaneamente pulsos elétricos que viajam ao longo de linhas de transmissão.
Esses novos materiais imitam axônios propagando sinais elétricos sem degradação, o que pode revolucionar a arquitetura da computação reduzindo a energia necessária para a transmissão do sinal e potencialmente diminuindo drasticamente o consumo de energia dos data centers.
Materiais de computação inspirados no cérebro:
Uma equipe de cientistas da Texas A&M University, Sandia National Lab – Livermore e Stanford University está aprendendo lições com o cérebro para projetar materiais para computação mais eficiente. A nova classe de materiais descoberta é a primeira do tipo – imitando o comportamento de um axônio propagando espontaneamente um sinal elétrico enquanto ele viaja ao longo de uma linha de transmissão. Essas descobertas podem ser críticas para o futuro da computação e da inteligência artificial.
O desafio da propagação de sinais elétricos:
Qualquer sinal elétrico que se propaga em um condutor metálico perde amplitude devido à resistência natural do metal. As unidades modernas de processamento de computador (CPU) e processamento gráfico podem conter cerca de 30 milhas de fios de cobre finos movendo sinais elétricos dentro do chip. Essas perdas aumentam rapidamente, exigindo amplificadores para manter a integridade do pulso. Essas restrições de design impactam o desempenho dos chips densos de interconexão atuais.
Para combater essa limitação, os pesquisadores se inspiraram nos axônios. Os axônios são uma parte de uma célula nervosa, ou neurônio, em vertebrados que podem conduzir impulsos elétricos para longe do corpo da célula nervosa.
“Frequentemente, queremos transmitir um sinal de dados de um lugar para outro, um local mais distante”, disse o autor principal Dr. Tim Brown, um pesquisador de pós-doutorado no Sandia National Lab e um ex-aluno de doutorado em ciência de materiais e engenharia na Texas A&M. “Por exemplo, podemos precisar transmitir um pulso elétrico da borda de um chip de CPU para transistores perto de seu centro. Mesmo para os melhores metais condutores, a resistência à temperatura ambiente dissipa continuamente os sinais transmitidos, então normalmente cortamos a linha de transmissão e aumentamos o sinal, o que custa energia, tempo e espaço. A biologia faz as coisas de forma diferente: alguns sinais no cérebro também são transmitidos por distâncias de centímetros, mas por meio de axônios feitos de matéria orgânica muito mais resistiva, e sem nunca interromper e aumentar os sinais.”
“A biologia faz as coisas de forma diferente: alguns sinais no cérebro também são transmitidos por distâncias de centímetros, mas por meio de axônios feitos de matéria orgânica muito mais resistente, e sem nunca interromper ou aumentar os sinais.”
Dr. Tim Brown
Amplificação inspirada em axônio em novos materiais
De acordo com o Dr. Patrick Shamberger, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Texas A&M, os axônios são a rodovia de comunicação. Eles comunicam sinais de um neurônio para um neurônio vizinho. Enquanto os neurônios são responsáveis “”pelo processamento de sinais, os axônios são como cabos de fibra óptica que movem sinais de um neurônio para seu vizinho.
Como o modelo de axônio, os materiais descobertos neste estudo existem em um estado preparado, permitindo que eles amplifiquem espontaneamente um pulso de voltagem conforme ele passa pelo axônio. Os pesquisadores aproveitaram uma transição de fase eletrônica no óxido de cobalto de lantânio que faz com que ele se torne muito mais eletricamente condutor à medida que aquece. Essa propriedade interage com as pequenas quantidades de calor geradas quando um sinal passa pelo material, resultando em um loop de feedback positivo.
O resultado é um conjunto de comportamentos exóticos não observados em componentes elétricos passivos comuns – resistores, capacitores, indutores – incluindo amplificação de pequenas perturbações, resistências elétricas negativas e mudanças de fase anormalmente grandes em sinais CA.
De acordo com Shamberger, esses materiais são únicos porque existem em um “estado Goldilocks” semiestável. Os pulsos elétricos não decaem nem apresentam fuga térmica e quebram. Em vez disso, o material oscilará naturalmente se for mantido sob condições de corrente constantes. Os pesquisadores determinaram que poderiam aproveitar esse comportamento para criar comportamento de pico e amplificar um sinal que viaja ao longo de uma linha de transmissão.
“Nós essencialmente aproveitamos instabilidades internas no material, que continuam fortalecendo um pulso eletrônico à medida que ele passa ao longo da linha de transmissão. Embora esse comportamento tenha sido teoricamente previsto por nosso coautor Dr. Stan Williams, esta é a primeira confirmação de sua existência.”
Implicações futuras e suporte de pesquisa:
Essas descobertas podem ser críticas no futuro da computação, que está gerando uma demanda crescente por uso de energia. Prevê-se que os data centers usem 8% da energia dos Estados Unidos até 2030, e a inteligência artificial pode aumentar drasticamente essa demanda. A longo prazo, é um passo em direção à compreensão de materiais dinâmicos e ao uso de inspiração biológica para promover uma computação mais eficiente.
“Nós essencialmente aproveitamos as instabilidades internas no material, que continuam fortalecendo um pulso eletrônico à medida que ele passa pela linha de transmissão.”
Dr. Patrick Shamberger
Esse estudo faz parte do projeto REMIND.
Publicado em 27/09/2024 08h39
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