Computação líquida: Processador iônico faz IA na água

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/10/2022

Processador iônico, formado por centenas de transistores em meio líquido.
[Imagem: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS]

Computação iônica

A comparação do cérebro com os computadores é quase inevitável, mas há diferenças fundamentais entre os dois "hardwares": Os processadores são feitos de silício e outros semicondutores de estado sólido, enquanto o cérebro processa informações manipulando íons em um meio aquoso.

Isso inspirou Woo-Bin Jung e colegas da Universidade de Harvard, nos EUA, a criar um processador iônico em uma solução líquida.

Embora os íons na água se movam mais lentamente do que os elétrons nos semicondutores, os cientistas acreditam que a diversidade de espécies iônicas, cada uma com suas próprias propriedades físicas e químicas, pode oferecer novas oportunidades para um processamento de informações mais rico e diversificado.

Diversas equipes já construíram transistores iônicos, mas Jung e seus colegas foram muito além, não apenas desenvolvendo um circuito iônico completo, formado por centenas de transistores iônicos encadeados, como também demonstrando que ele nasceu talhado para realizar cálculos típicos da inteligência artificial, as chamadas redes neurais artificiais.

"Os microprocessadores manipulam os elétrons de forma digital para realizar a multiplicação de matrizes," disse o professor Donhee Ham. "Embora nosso circuito iônico não possa ser tão rápido ou preciso quanto os microprocessadores digitais, a multiplicação da matriz eletroquímica na água é encantadora por si só e tem potencial para ser eficiente em termos energéticos."

O processador é essencialmente uma rede neural em hardware, formada por uma densa matriz de recipientes que controlam o pH no nível local.
[Imagem: Donhee Ham Research Group/Harvard SEAS]

Rede neural iônica

O transístor iônico desenvolvido pela equipe consiste em uma solução aquosa de moléculas de quinona, que fica em contato com dois eletrodos concêntricos em formato de anel e com um eletrodo central em formato de disco.

Ao aprisionar e liberar íons de hidrogênio, os dois eletrodos em anel baixam eletroquimicamente e ajustam o pH local ao redor do disco central. Quando uma voltagem é aplicada ao disco central, gera-se uma reação eletroquímica que produz uma corrente iônica do disco para a água.

A taxa de reação pode ser acelerada ou desacelerada ajustando-se o pH local, fazendo com que a corrente iônica aumente ou diminua. Em outras palavras, o pH controla a corrente iônica do disco na solução aquosa, criando uma contrapartida iônica do transístor eletrônico - na verdade, o sistema todo já funciona como uma porta lógica, pronta para fazer cálculos.

Finalmente, a equipe construiu e encadeou os transistores iônicos de tal forma que a corrente do disco é uma multiplicação aritmética da tensão do disco e de um parâmetro de "peso", que representa o pH local do transístor. Esses transistores foram dispostos em uma matriz 16 x 16, expandindo a multiplicação aritmética analógica dos transistores individuais em uma multiplicação de matriz analógica, com a matriz de valores de pH locais servindo como uma matriz de peso, como as encontradas nas redes neurais.

"A multiplicação de matrizes é o cálculo mais prevalente em redes neurais para inteligência artificial," disse Jung. "Nosso circuito iônico realiza a multiplicação da matriz na água de maneira analógica, totalmente baseada em maquinário eletroquímico."

A equipe planeja incorporar novos tipos de íons para "enriquecer" a computação.
[Imagem: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS]

Enriquecer a computação iônica

A equipe já tem planos para levar a computação iônica adiante.

"Até agora, usamos apenas 3 ou 4 espécies iônicas, como íons de hidrogênio e quinona, para permitir o transporte iônico e impedir ou permitir o sinal no transistor iônico aquoso," disse Jung. "Será muito interessante empregar espécies iônicas mais diversas e ver como podemos explorá-las para enriquecer o conteúdo da informação a ser processada."

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