Elo perdido da eletrônica permitirá computador que aprende

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/09/2009

[Imagem: R.Stanley Williams/HP]

Cientistas da HP conseguiram incluir uma camada de memristores em um processador de silício tradicional, comprovando que esse novo componente eletrônico funciona em conjunto com os componentes eletrônicos tradicionais e abrindo caminho para sua chegada ao mercado a curto prazo.

O que é memristor?

O memristor é considerado o elo perdido da eletrônica, um componente eletrônico com um comportamento similar ao do resistor, mas capaz de "lembrar seu passado", o que significa que ele funciona como uma memória não-volátil.

O memristor foi previsto teoricamente em 1971 pelo então jovem professor Leon Chua, da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos. Mas o dispositivo permaneceu como um componente quase lendário até o ano passado, quando os engenheiros conseguiram construir um memristor pela primeira vez, utilizando técnicas da nanotecnologia de última geração.

A descoberta do memristor

Desde que a eletrônica foi criada, ainda na época das válvulas eletrônicas, os cientistas e engenheiros sempre montaram os circuitos utilizando três blocos básicos: resistores, capacitores e indutores. Mas, em 1971, Leon Chua percebeu que estava faltando algo ao estudar como as quatro variáveis básicas de um circuito - tensão, corrente, carga e fluxo - se relacionam com esses três elementos.

Cada um dos três blocos básicos da eletrônica se relaciona com duas das quatro propriedades eletrônicas dos circuitos, criando uma cadeia que conecta a carga ao fluxo por meio da tensão e da corrente. Mas a matemática não-linear de Chua mostrava que deveria haver um quarto componente, capaz de ligar diretamente fluxo e carga.

Ele então batizou esse elo perdido da eletrônica de memristor - uma junção livre dos termos memória e resistor. E previu que esse quarto componente eletrônico fundamental teria propriedades que não poderiam ser duplicadas por nenhuma combinação dos três outros componentes.

[Imagem: Qiangfei Xia et al./NanoLetters]

Da teoria à prática

Tudo isto permaneceu no campo da teoria até o início do ano passado, quando cientistas comprovaram a existência do quarto componente eletrônico fundamental.

Agora as coisas parecem estar andando muito mais rapidamente. Apenas um ano e meio desde a demonstração do memristor, ele já está no interior de um chip trabalhando em conjunto com seus companheiros mais antigos e mais conhecidos.

Os memristores se comportam mais ou menos como os resistores - que simplesmente oferecem uma resistência à passagem da corrente elétrica. A sua grande vantagem é que ele consegue "lembrar" da última corrente que passou por ele, funcionando como uma memória, que poderá substituir tanto as memórias DRAM dos computadores quanto as memórias de dispositivos móveis, como os pendrives.

Substituto do transístor

Mas as vantagens dos memristores vão muito além de simples substitutos das memórias. Eles são excelentes substitutos dos transistores. Os pesquisadores afirmaram que cada memristor individual se mostrou capaz de substituir de 7 até 12 transistores, dependendo do papel que ele desempenha dentro do chip.

Melhor ainda: enquanto os transistores exigem a presença de energia constantemente, o memristor mantém sua memória mesmo quando a energia é desligada. Toda a perda de energia que acontece nos chips atuais deixa de existir nos pontos onde o memristor substitui os blocos de transistores, diminuindo o consumo de energia do processador e, por decorrência, seu aquecimento.

Fabricação dos memristores

No estágio atual de desenvolvimento, os memristores são construídos em uma grade de nanofios. Cada junção entre dois fios é um sanduíche cujo recheio é um aglomerado de partículas de dióxido de titânio. É esse sanduíche que é o memristor.

No experimento agora feito, a camada de memristores foi colocada sobre a camada do processador CMOS tradicional. Fios de cobre são utilizados para conectar os memristores com os demais componentes do chip. A adição da camada de memristores transformou o chip original em um FPGA (Field-Programmable Gate Array), um tipo de chip que pode ser fisicamente reconfigurado depois que ser fabricado.

[Imagem: Qiangfei Xia et al.]

Boot instantâneo

As possibilidades de avanços na eletrônica e na informática, graças ao advento do memristor, são praticamente inumeráveis. Duas delas, contudo, ganham destaque facilmente, graças à capacidade dos memristores de funcionarem em dois modos: modo digital e modo analógico.

A primeira possibilidade, baseada no modo digital de ser dos memristores, é a substituição das memórias RAM tradicionais por memórias não-voláteis, que não perdem o conteúdo quando a energia é desligada. Isto significa, por exemplo, que você poderá desligar o seu computador com todos os programas abertos e, ao religá-lo, continuar o trabalho instantaneamente, uma vez que não será preciso aguardar todo o processo de boot, abertura dos programas, reabertura dos arquivos e assim por diante.

Computadores que aprendem

A segunda possibilidade é ainda mais futurística e utiliza o modo analógico do novo componente eletrônico.

Os pesquisadores demonstraram que a forma de funcionamento dos circuitos dotados de memristores lembra muito o comportamento de organismos vivos muito simples. Organismos vivos são "analógicos", e não digitais como os computadores. Isto abre o caminho para a criação de computadores capazes de aprender, onde os memristores comporiam uma espécie de "sinapse artificial," criando computadores "neuromórficos."

Não será ainda um chip parecido com o cérebro humano, mas, ainda assim, será um chip capaz de aprender a reconhecer padrões. Hoje, qualquer capacidade de "aprendizado" dos computadores é baseado nos softwares que eles rodam. Com os memristores, o próprio hardware se tornará capaz de aprender.

O computador se tornará capaz, por exemplo, de adaptar sua interface com o usuário dependendo da forma como o usuário interage com ela. Essa capacidade também poderá ser explorada em programas de inteligência artificial como os utilizados para reconhecimento de faces e de linguagem.

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