Processador neuromórfico e óptico imita cérebro na velocidade da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/11/2023

Protótipo do chip óptico.
[Imagem: Jonas Schütte/University of Münster]

Computação neuromórfica óptica

Engenheiros da Universidade de Munique, na Alemanha, apresentaram uma nova arquitetura de computação neuromórfica que usa um processador baseado em eventos.

Arquiteturas computacionais que emulam os princípios de funcionamento das redes neurais biológicas prometem um processamento de dados mais rápido e com maior eficiência energética. Mas a abordagem usada pela equipe tem outra vantagem: Tudo é baseado em processadores fotônicos, nos quais os dados são transportados e processados por meio da luz, o que nos aproxima da "velocidade última" com que cálculos podem ser feitos.

O chip contém uma rede formada por 8.398 neurônios ópticos feitos com um material de mudança de fase acoplado às guias de onda, responsáveis pelo tráfego da luz. Esses neurônios foram reunidos em uma rede em grande escala, subdividida em 736 sub-redes com 16 neurônios cada.

"Treinamos a rede neural para distinguir entre amostras de texto em inglês e alemão por meio de um algoritmo evolutivo. Investigamos as plasticidades sináptica e estrutural durante o processo de treinamento," contou a equipe. Isto permitiu demonstrar que a conexão entre cada par de neurônios pode de fato se tornar mais forte ou mais fraca (plasticidade sináptica), e que novas conexões podem ser formadas, ou eliminadas as existentes (plasticidade estrutural).

Ao contrário de outros protótipos semelhantes, as sinapses não são elementos de hardware, sendo codificadas em função das propriedades dos pulsos ópticos - ou seja, em função do respectivo comprimento de onda e da intensidade de cada pulso de luz. Isto tornou possível integrar vários milhares de neurônios em um único chip e conectá-los sem depender de eletricidade.

Computação de redes neurais na arquitetura orientada a eventos.
[Imagem: Frank Brückerhoff-Plückelmann et al. - 10.1126/sciadv.adi9127]

Computação óptica

O material de mudança de fase usado na construção do chip pode ser alternado entre uma estrutura amorfa e uma estrutura cristalina com uma rede atômica altamente ordenada. Este recurso permite o armazenamento permanente de dados mesmo sem fornecimento de energia, ou seja, o chip inteiro é não volátil.

Em comparação com os processadores eletrônicos tradicionais, os processadores baseados em luz oferecem uma largura de banda significativamente maior, possibilitando a realização de tarefas computacionais com elevado grau de paralelismo e com menor consumo de energia.

"Nosso objetivo é desenvolver uma arquitetura de computação óptica que, a longo prazo, torne possível computar aplicações de IA de maneira rápida e eficiente em termos energéticos," afirmou o professor Frank Pluckelmann, coordenador da equipe.

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