Processador revolucionário reúne cálculo e memória no mesmo chip

Lógica sobre memória

Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

É um grande avanço para a eletrônica e para a informática, uma vez que a união de computação e armazenamento no mesmo chip - também conhecida como "arquitetura lógica-sobre-memória" - dispensa a troca de dados entre processador e memória, tornando os computadores mais rápidos e com menor consumo de eletricidade.

Essa junção também era longamente esperada por seu potencial impacto no processamento de algoritmos de inteligência artificial.

O avanço histórico foi liderado por Guilherme Migliato Marega, engenheiro eletricista formado pela USP (Universidade de São Paulo), que atualmente trabalha na Escola Politécnica Federal de Lausanne.

Molibdenita

Para quem duvidava que o grafeno estava sendo deixado para trás na corrida rumo a uma era pós-silício, o novo chip é feito de um outro material monocristalino (2D), a molibdenita (MoS₂).

A molibdenita, um material que consiste em uma única camada com três átomos de espessura, é um excelente semicondutor e já é o componente mais pesquisado no campo da fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) e da spintrônica (uma espécie de meio caminho entre a eletrônica e a computação quântica).

Processador e memória juntos

O novo processador lógica-sobre-memória é feito com transistores de efeito de campo (FET) de portas flutuantes (FGFETs).

A vantagem desses transistores é que eles podem reter cargas elétricas por longos períodos - é por isso que eles são usados em memórias flash para câmeras, celulares e computadores.

E as propriedades elétricas exclusivas da molibdenita tornam este semicondutor particularmente sensível a cargas armazenadas em FGFETs, o que permitiu a criação de circuitos que funcionam tanto como células de armazenamento de memória quanto como transistores programáveis.

Ao usar a molibdenita, a equipe conseguiu incorporar várias funções de processamento em um único circuito com memória e alterar ambos conforme desejado.

"Essa capacidade dos circuitos de realizar duas funções é semelhante à forma como o cérebro humano funciona, onde os neurônios estão envolvidos tanto no armazenamento de memórias quanto na realização de cálculos mentais," comparou o professor Andras Kis, coordenador da equipe.

"O projeto do nosso circuito tem várias vantagens: Ele pode reduzir a perda de energia associada à transferência de dados entre unidades de memória e processadores, diminuir a quantidade de tempo necessária para operações de computação e diminuir a quantidade de espaço necessária. Isso abre as portas para dispositivos menores, mais potentes e com maior eficiência energética," acrescentou Kis.

Embora ainda seja um protótipo, a equipe está entusiasmada com a capacidade de levar a nova arquitetura rumo aos aparelhos eletrônicos e computadores vendidos no mercado: "Fizemos nosso primeiro chip há dez anos à mão. Mas, desde então, desenvolvemos um processo de fabricação avançado que nos permite fazer 80 ou mais chips em uma única rodada, com propriedades bem controladas," disse Kis.

Noticia: inovacaotecnologica

Um só ato

Descobertas simultâneas fazem elétron conversar diretamente com fóton

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/01/2018

Fazer com que elétrons conversem diretamente com fótons é um feito com amplos desdobramentos tecnológicos - esta imagem ilustra o feito da equipe que trabalhou com o material bidimensional WS2. [Imagem: TU Delft/Scixel]

Descobertas simultâneas

A corrida por uma nova plataforma de computação - que vá além da eletrônica atual - já conta com competidores de peso, como processadores quânticos, spintrônicos, neuromórficos, fotônicos etc.

Agora essa corrida ficou ainda mais disputada graças ao surgimento não de um, mas de dois competidores híbridos, que fundem a fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) com a spintrônica (processadores que usam o spin dos elétrons, e não sua carga).

E os novos competidores já surgem com uma vantagem: eles são baseados em componentes de silício, o que significa que é mais fácil passar a coisa do laboratório para a indústria.

Outro detalhe interessante é que se trata de um feito raro na ciência - duas equipes da Universidade de Delft, na Holanda, trabalhando em laboratórios vizinhos, mas de forma independente uma da outra, descobriram ao mesmo tempo como fazer com que elétrons conversem diretamente com fótons.

As duas técnicas, que foram publicadas em artigos separados pela revista Science, prometem ajudar a conectar múltiplos qubits dentro de um mesmo processador quântico, superando a limitação de outras plataformas, como a dos qubits supercondutores, e viabilizar novas formas de processamento de dados mais energeticamente eficientes.

Spin fala com fóton 1

A equipe liderada por Su-Hyun Gong descobriu uma forma de converter a informação contida no spin de um elétron em um sinal de luz - um fóton - usando um material bidimensional, o dissulfeto de tungstênio (WS2), um metal dicalcogeneto com propriedades similares às da mais conhecida molibdenita. E tudo funciona a temperatura ambiente.

Isto significa que os dados podem ser armazenados em uma estrutura - o spin de um elétron - que consome uma quantidade irrisória de eletricidade em comparação com os fluxos de elétrons atuais, e ainda pode ser diretamente traduzido para transmissão da informação dentro do chip ou para fora do computador.

"Esta combinação pode muito bem resultar em estratégias verdes de processamento de informações em nanoescala," disse o professor Kobus Kuipers, coordenador da equipe, acentuando que o mecanismo também é útil no campo emergente da valetrônica.

 A segunda equipe está trabalhando com qubits em uma plataforma de silício. [Imagem: TU Delft]

Spin fala com fóton 2

A equipe liderada por Nodar Samkharadze descobriu como acoplar o spin do elétron a um fóton de micro-ondas.

"O spin do elétron é aprisionado em um ponto quântico duplo de silício e o fóton de micro-ondas é armazenado em um ressonador supercondutor de alta impedância dentro do chip. O componente de campo elétrico do fóton na cavidade se acopla diretamente ao dipolo de carga do elétron no ponto quântico duplo e, indiretamente, ao spin do elétron, por meio de um forte gradiente de campo magnético local gerado por um micromagneto próximo," detalhou a equipe.

Isto significa que a informação guardada no spin de um elétron - que pode funcionar também como qubit - fala diretamente com um meio de transmissão de dados - as micro-ondas.

"Isso é importante para conectar bits quânticos distantes em um chip de silício, abrindo o caminho para aumentar a escala dos bits quânticos dentro dos chips de silício," disse Guoji Zheng, membro da equipe.

Bibliografia:

Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling
Su-Hyun Gong, Filippo Alpeggiani, Beniamino Sciacca, Erik C. Garnett, L. Kuipers
Science
Vol.: 359, Issue 6374, pp. 443-447
DOI: 10.1126/science.aan8010

Strong spin-photon coupling in silicon
N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen
Science
Vol.: eaar4054
DOI: 10.1126/science.aar4054