Los científicos han desarrollado un nuevo tipo de dispositivo nanoelectrónico que podría reducir significativamente la cantidad de energía que consumen los sistemas de inteligencia artificial. La invención funciona copiando cómo el cerebro humano procesa la información, ofreciendo una alternativa más eficiente al hardware de IA actual, que consume mucha energía.
Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Cambridge ha desarrollado una versión modificada de óxido de hafnio que actúa como un “memristor” altamente estable y de baja potencia, un material diseñado para replicar cómo se conectan y comunican las neuronas del cerebro. Sus hallazgos se publican en la revista. Avances de la ciencia.
¿Por qué los sistemas de IA actuales consumen tanta energía?
La IA moderna se basa en chips de computadora tradicionales que transfieren datos constantemente entre la memoria y las unidades de procesamiento. Estas transferencias de ida y vuelta requieren grandes cantidades de electricidad y la demanda continúa creciendo a medida que la IA se utiliza más ampliamente en todas las industrias.
La computación neuromórfica ofrece un enfoque diferente. En lugar de separar la memoria y el procesamiento, integra los dos en uno, la forma en que funciona el cerebro. Este enfoque puede reducir el consumo de energía hasta en un 70% y permite que los sistemas aprendan y se adapten de forma más natural.
“Uno de los principales desafíos del hardware de IA actual es el consumo de energía”, dijo el autor principal, el Dr. Babak Bakhit, del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de Cambridge. “Para solucionar esto, se necesitan dispositivos con corrientes extremadamente bajas, excelente estabilidad, ciclos de conmutación y dispositivos con una uniformidad excepcional y la capacidad de cambiar entre muchos estados distintos”.
Un nuevo enfoque para el diseño de memristores
La mayoría de los memristores existentes funcionan formando pequeños filamentos conductores dentro de un material de óxido metálico. Estos filamentos se comportan de forma errática y a menudo requieren altos voltajes, lo que limita su practicidad para la informática a gran escala.
Los investigadores de Cambridge adoptaron un enfoque diferente. Desarrollaron una película delgada a base de hafnio que cambia de estado mediante un proceso más controlado. Al agregar estroncio y titanio y utilizar un proceso de crecimiento de dos pasos, crearon pequeñas puertas electrónicas conocidas como “uniones pn” en la interfaz entre las capas.
En lugar de depender de la formación y rotura del filamento, el dispositivo cambia su resistencia ajustando la barrera de energía en esta interfaz. Esto permite una conmutación más suave y confiable.
Bakhit, que también está asociado con el departamento de ingeniería de Cambridge, explicó que este diseño resuelve un problema importante en el desarrollo de memristores. “Los dispositivos filamentosos sufren un comportamiento aleatorio”, afirmó. “Pero debido a que nuestros dispositivos cambian de interfaz, muestran una notable uniformidad de un ciclo a otro y de un dispositivo a otro”.
Potencia ultrabaja y aprendizaje similar al cerebro
Las pruebas han demostrado que los nuevos dispositivos funcionan con una corriente de conmutación aproximadamente un millón de veces menor que algunos memristores convencionales a base de óxido. También pueden alcanzar cientos de niveles de conductividad estables, esenciales para la computación analógica “en memoria”.
En las pruebas de laboratorio, los dispositivos se mantuvieron estables durante miles de ciclos de conmutación y mantuvieron su estado programado durante aproximadamente un día. También demostraron comportamientos clave de aprendizaje biológico, incluida la plasticidad dependiente del momento de los picos: procesos que permiten a las neuronas fortalecer o debilitar sus conexiones en función del tiempo.
“Estas son las características que necesitas si quieres un hardware que pueda aprender y adaptarse en lugar de simplemente almacenar bits”, dijo Bakhit.
Desafíos pendientes y perspectivas de futuro
A pesar de los resultados prometedores, todavía quedan obstáculos por superar. Los procesos de fabricación actuales requieren temperaturas de unos 700 grados Celsius, más altas de lo que normalmente permite la fabricación de semiconductores estándar.
“Este es actualmente el principal desafío en nuestro proceso de fabricación de dispositivos”, afirmó Bakhit. “Pero ahora estamos trabajando en formas de reducir la temperatura para que sea más consistente con los procesos industriales estándar”.
Si se puede resolver este problema, la tecnología se podrá integrar en sistemas prácticos a escala de chips. “Si podemos bajar la temperatura y poner estos dispositivos en un chip, sería un gran paso adelante”, afirmó.
Años de prueba y error detrás del avance
El gran avance se produjo después de varios años de experimentación y muchos obstáculos. Bakhit dijo que el progreso se aceleró a finales del año pasado cuando modificó el proceso de fabricación, añadiendo oxígeno sólo después de que se formó la primera capa.
“Pasé unos tres años en ello”, dijo. “Hubo muchos fallos, pero a finales de noviembre vimos los primeros resultados realmente buenos. Por supuesto, aún es pronto, pero si podemos resolver el problema de la temperatura, esta tecnología puede cambiar las reglas del juego porque el consumo de energía es muy bajo y, al mismo tiempo, el rendimiento del dispositivo es muy prometedor”.
El trabajo fue apoyado en parte por el Consejo Sueco de Investigación (VR), la Real Academia de Ingeniería, la Royal Society y la Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI). Cambridge Enterprises, el brazo de innovación de la universidad, ha presentado una solicitud de patente.
