Chips híbridos Memristor AI podem escalar

Ao combinar dispositivos atomicamente finos com microchips convencionais, os cientistas criaram eletrônicos híbridos que imitam o cérebro que podem ajudar a implementar sistemas de inteligência artificial de rede neural de uma maneira muito mais eficiente em termos de energia do que a eletrônica padrão, segundo um novo estudo.

À medida que a eletrônica se torna cada vez menor, os cientistas estão investigando materiais 2D atomicamente finos para a próxima geração de eletrônicos. Por exemplo, o grafeno consiste em camadas únicas de átomos de carbono, e o dissulfeto de molibdênio é feito de uma folha de átomos de molibdênio entre duas camadas de átomos de enxofre.

“Materiais bidimensionais não apenas têm desempenho elétrico de ponta, mas também excelentes propriedades térmicas, mecânicas, ópticas e químicas, o que pode resultar em novas aplicações que agora não existem”, diz o autor sênior do estudo Mario Lanza, professor associado de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, em Thuwal, na Arábia Saudita.

"O conhecimento da maioria das pessoas é em semicondutores. Somos especialistas em isoladores." - Mario Lanza, King Abdullah University of Science and Technology

Várias equipes de pesquisa desenvolveram protótipos de dispositivos baseados em materiais 2D. No entanto, nenhum exibiu a capacidade de calcular ou armazenar dados. Além disso, sua fabricação dependia principalmente de métodos de síntese e processamento que não são compatíveis com as técnicas padrão da indústria. Além disso, a manipulação de materiais 2D de camada única é desafiadora porque podem ocorrer defeitos ao transferi-los das superfícies nas quais são cultivados para substratos mais úteis para aplicações. Esses defeitos reduzem a consistência e o rendimento do dispositivo.

Agora, os cientistas criaram o que dizem ser o primeiro microchip densamente integrado fabricado com materiais 2D, todos usando processos compatíveis com a indústria de semicondutores. "Alcançamos não apenas excelentes propriedades, mas também alto rendimento e baixa variabilidade", diz Lanza.

No novo estudo, os pesquisadores experimentaram nitreto de boro hexagonal. Essa cerâmica atomicamente fina costuma ser usada como material isolante em eletrônicos 2D. "O conhecimento da maioria das pessoas é em semicondutores", diz Lanza. "Somos especialistas em isoladores."

Os cientistas queriam superar uma série de desafios enfrentados pelos dispositivos anteriores baseados em materiais 2D. Por exemplo, em vez de tentar fabricar transistores a partir de materiais 2D, Lanza e seus colegas pretendiam criar memristores. Memristors, ou resistores de memória, são essencialmente interruptores que podem lembrar para qual estado elétrico foram alternados depois que a energia foi desligada.

Este microchip híbrido 2D/CMOS é promissor para aplicações memristivas. Mario Lanza

"A maioria dos grupos está focada em transistores, provavelmente porque são os principais componentes da eletrônica", diz Lanza. "Em vez disso, nos concentramos nos memristors, que atualmente têm um tamanho de mercado muito menor, mas também um tremendo potencial para armazenamento de dados, computação, criptografia e comunicação."

Cientistas de todo o mundo esperam usar memristores e componentes semelhantes para construir eletrônicos que, como os neurônios, possam calcular e armazenar dados. Esses dispositivos memristivos podem reduzir bastante a energia e o tempo perdidos quando os microchips convencionais embaralham os dados entre os processadores e a memória. Esse hardware neuromórfico inspirado no cérebro também pode ser ideal para a implementação de redes neurais. Esses sistemas de IA estão cada vez mais sendo usados ​​em aplicações como suporte a veículos autônomos e análise de exames médicos.

Memristors são "dispositivos simples que são tolerantes a defeitos", diz Lanza. Em contraste, os transistores "exigem material cristalino perfeito", explica ele. Lanza observa que os memristors também não sofrem de outros problemas que os transistores, como a resistência de contato – ou seja, resistência elétrica em seus pontos de contato com outros componentes.

Além disso, enquanto a maioria dos trabalhos anteriores dependia de materiais 2D com apenas uma ou duas camadas de espessura, Lanza e seus colegas usaram uma folha de material 2D composta por aproximadamente 18 camadas com cerca de 6 nanômetros de espessura. "Este material mais espesso não é tão fácil de quebrar", diz Lanza.