O número de processadores “preguiçosos” aumentou. Uma equipe internacional de cientistas criou o primeiro chip do mundo baseado em princípios de computação termodinâmica, explorando o spin, uma propriedade quântica das partículas elementares. A computação termodinâmica, ou mais amplamente, a computação probabilística, já está sendo estudada para tarefas de IA, prometendo reduzir significativamente o consumo de energia. Ao explorar as propriedades de spin das partículas, essa abordagem pode ser levada ainda mais longe.
Fonte da imagem: Universidade de Tohoku
O desenvolvimento foi anunciado por uma equipe de cientistas da Universidade de Tohoku e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST). Vale ressaltar que o chip foi fabricado por uma empresa pouco mencionada, a SkyWater, uma spin-off da renomada designer de chips Cypress Semiconductor. A SkyWater trabalha em estreita colaboração com o complexo militar-industrial dos EUA, e é notável sua participação neste projeto. O Pentágono tem grande interesse em alternativas de baixo consumo de energia para a implementação de inteligência artificial física, com foco na robotização de operações de combate.
O chip criado pela equipe Tohoku-NIST é baseado em um chamado bit probabilístico (p-bit), também conhecido como pit (pIT). Pits são semelhantes a qubits — também são representados por estados probabilísticos, mas não simultaneamente em todos os estados possíveis de 0 a 1, e sim dependendo dos sinais de entrada em um dado momento. Além disso, o impulso do bit para agir, ou a probabilidade de um estado específico, pode ser determinado por uma variável aleatória, como o ruído térmico. Portanto, em geral, estamos falando de cálculos termodinâmicos. Aliás, para uma melhor compreensão do assunto, recomendamos a leitura de um artigo recente em nosso site dedicado especificamente a este tema: “Calculadoras Termodinâmicas São Normais”.
O componente termodinâmico de um chip espintrônico é um pequeno ímã, que pode alterar sua magnetização sob a influência do ruído térmico. Assim, o bit p “salta” constantemente e aleatoriamente entre os estados 0 e 1, utilizando a magnetização aleatória do próprio dispositivo a cada instante. Na verdade, é aqui que…Sua natureza espintrônica é revelada, pois flutuações de magnetização ocorrem no nível da orientação do spin atômico.
Esse processo é a essência da computação probabilística, eficaz para tarefas que exigem a exploração rápida de um vasto espaço de estados possíveis, em vez de enumeração sequencial. Computadores convencionais são bons em executar instruções estritamente prescritas, mas são menos adequados para tarefas que exigem o trabalho com valores predeterminados. Os “poços” nessa arquitetura são uma fonte física de aleatoriedade controlada: o próprio elemento “salta” entre 0 e 1, e uma voltagem externa pode influenciar a probabilidade de qual estado será encontrado com mais frequência. Isso é semelhante ao controle de coeficientes de ponderação, embora, na prática, as coisas sejam mais complexas. Portanto, tais elementos e arquiteturas estão sendo cada vez mais considerados como a base para aceleradores de IA de hardware e modelos probabilísticos.
\n\nNeste trabalho específico, foi realizada uma junção de túnel superparamagnético – um elemento magnético de tamanho nanométrico que não é capaz de manter um estado de magnetização, mas flutua naturalmente devido a flutuações térmicas e magnéticas. Os transistores de base e as conexões entre os elementos foram fabricados usando o processo CMOS de 130nm da SkyWater Technology. Dentro das paredes da Universidade de Tohoku, nanodispositivos e eletrodos spintrônicos foram adicionados a eles. Em geral, esta foi uma tentativa de combinar um elemento spintrônico com a lógica de silício convencional, que foi geralmente bem-sucedida, como mostraram os testes subsequentes do circuito.\n\nOs pesquisadores confirmaram duas características principais da operação dos poços: flutuações probabilísticas da tensão de saída ao longo do tempo e a capacidade de controlar o valor médio de saída dos poços usando a tensão de entrada. Em outras palavras, o dispositivo não apenas faz barulho, mas produz uma probabilidade controlada – a base para futuras redes de poços. Na próxima etapa, o grupo pretende passar da produção de poços spintrônicos únicos para a criação de circuitos baseados neles.\n