Novo material viabiliza IA com eficiência energética

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/06/2023

É a primeira vez que se consegue uma polarização no eixo Z sem a necessidade de um campo magnético externo.
[Imagem: Mahendra DC et al. - 10.1038/s41563-023-01522-3]

Gargalo da IA

Embora as ameaças à privacidade, aos empregos e até à própria existência da humanidade tenham-se tornado preocupações mais prementes conforme a inteligência artificial avança, há um fato que já é realidade: A IA atual já consome energia desmesuradamente.

O treinamento dos modelos e o processamento das consultas requer centrais de dados gigantescas, cada uma consumindo eletricidade equivalente ao gasto de cidades inteiras.

Por isso tem havido um esforço contínuo para criar hardwares já projetados para o tipo de processamento que a inteligência artificial exige - essencialmente, fazer a inteligência artificial por hardware, e não por software, como é hoje.

"Queremos viabilizar a inteligência artificial na borda - treinando localmente em seu computador doméstico, telefone ou relógio inteligente - para coisas como detecção de ataque cardíaco ou reconhecimento de fala. Para fazer isso, você precisa de uma memória não volátil muito rápida," explicou o professor Shan Wang, da Universidade de Stanford, nos EUA.

Existem várias abordagens para isso, com as de maior destaque sendo a computação de reservatório e uma arquitetura conhecida como computação na memória, em que o processamento e o armazenamento ocorrem no mesmo local, eliminando o tempo de transferência dos dados entre a memória e o processador, multiplicando a velocidade e minimizando o consumo de energia.

A equipe do professor Wang acaba de apresentar um progresso nesta última vertente.

Estrutura do MnPd₃.
[Imagem: Mahendra DC et al. - 10.1038/s41563-023-01522-3]

SOT-RAM

A equipe demonstrou que uma fina camada de um composto metálico chamado MnPd₃ (manganês-paládio três) tem as propriedades necessárias para facilitar uma forma de memória RAM que armazena dados nas direções de spin dos elétrons.

Este método de armazenamento de memória, conhecido como SOT-RAM (memória de acesso aleatório magnetorresistiva de torque spin-órbita), tem o potencial de armazenar dados de forma mais rápida e eficiente do que os métodos atuais, que armazenam dados usando a carga dos elétrons, e não seu spin, e requerem uma entrada de energia contínua para manter esses dados.

A SOT-MRAM tira proveito de uma propriedade intrínseca dos elétrons, chamada spin. Para entender o spin, imagine um elétron como uma bola de basquete girando equilibrada na ponta do dedo de um atleta: Como os elétrons são partículas carregadas, a rotação transforma o elétron em um minúsculo ímã, polarizado ao longo de seu eixo (neste caso, uma linha imaginária se estendendo a partir do dedo do jogador).

Se o elétron muda sua direção de rotação, os pólos norte-sul do ímã também mudam, o que possibilita usar a direção para cima ou para baixo desse magnetismo - conhecido como momento de dipolo magnético - para representar os 0s e 1s que compõem os bits e bytes do computador. Foi esse mecanismo que deu origem ao cada vez mais importante campo da spintrônica - como o princípio é magnético, os dados não se perdem na ausência de energia.

Magnetização na direção z

O grande problema está em encontrar os materiais adequados para fazer funcionar toda essa lógica. Devido à forma como o hardware é projetado, os dados podem ser armazenados de forma mais densa quando as direções de spin do elétron são orientadas para cima ou para baixo na direção z. Infelizmente, a maioria dos materiais polariza os spins dos elétrons na direção y quando a corrente flui na direção x.

"Os materiais convencionais geram spin apenas na direção y - isso significa que precisaríamos de um campo magnético externo para fazer a comutação acontecer na direção z, o que requer mais energia e espaço," explicou Fen Xue, membro da equipe. "Com o objetivo de diminuir a energia e ter uma maior densidade de memória, queremos poder realizar essa comutação sem um campo magnético externo."

Foi exatamente essa característica que a equipe encontrou no MnPd₃, que se mostrou capaz de gerar spins em qualquer orientação porque sua estrutura interna não apresenta o tipo de simetria cristalina que tipicamente força todos os elétrons em uma orientação em particular.

"Nós temos a mesma corrente de entrada que outros materiais convencionais, mas agora temos três direções diferentes de spin," disse Mahendra DC, outro membro da equipe. "Dependendo da aplicação, podemos controlar a magnetização na direção que quisermos."

O resultado é um material que não só possui as propriedades necessárias para atender aos crescentes requisitos da computação, mas também que se encaixa perfeitamente nas técnicas de fabricação atuais. Os pesquisadores já estão trabalhando em protótipos de SOT-MRAM usando manganês-paládio três, que serão integrados em circuitos reais.

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