Computador imita cérebro com supercondutores e LEDs

A arquitetura neuromórfica deverá superar a capacidade de cálculo do cérebro humano. [Imagem: Jeffrey M. Shainline et al. - 10.1103/PhysRevApplied.7.034013]

Computador neuromórfico

O supercomputador mais rápido do mundo, o Sunway TaihuLight, 100% chinês, executa mais cálculos por segundo do que um cérebro humano, mas consome cerca de 800.000 vezes mais energia.

Para tentar tirar essa diferença, uma equipe do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia dos EUA (NIST) está propondo um novo sistema de computação baseado em componentes supercondutores que se comunicam usando luz e que funciona de forma mais parecida com a arquitetura neural do cérebro humano.

Os cálculos de Jeffrey Shainline e seus colegas sugerem que seu computador-supercondutor-fotônico poderá operar com menos energia e realizar mais cálculos do que o cérebro humano - se bem que a capacidade estimada de cálculos do cérebro humano foi recentemente multiplicada por 100.

Neurônio teia de aranha

       Nos computadores atuais, cada componente semicondutor interage com apenas alguns outros, aos quais são conectados por fiações diretas. Acontece que, se cada componente fosse ligado a milhares de outros, como ocorre no cérebro, a arquitetura do circuito rapidamente se torna caótica.

       Para resolver isto, Jeffrey Shainline propõe usar fótons em vez de elétrons. Os fótons podem atuar como portadores de informação e podem se comunicar com inúmeros outros sem a necessidade de conexões com fios.

       O neurônio artificial consiste de um fio supercondutor conectado a um LED - incorporado seria o melhor termo, já que ambos fazem parte do mesmo componente. Os dois elementos atuam como detector e transmissor de sinal, respectivamente.

       Na ausência de fótons de entrada, o LED permanece desligado e o neurônio fica inativo. Quando o supercondutor absorve fótons, sua temperatura aumenta, provocando uma transição de uma fase supercondutora para uma fase metálica. Isso altera o fluxo de corrente no LED, ligando-o e tornando o neurônio ativo.

       Como essa transição requer a absorção de múltiplos fótons, o circuito pode imitar os neurônios reais, que disparam apenas se o sinal de entrada superar um limiar. Guias de onda ramificados então canalizam os fótons emitidos para milhares de outros neurônios supercondutores, compondo o que os pesquisadores chamam de “neurônio teia de aranha”.

Estrutura do computador (em cima) e de cada neurônio artificial, formado por um supercondutor e um LED (embaixo). [Imagem: Jeffrey M. Shainline et al. - 10.1103/PhysRevApplied.7.034013]

Operações

       De acordo com os cálculos da equipe, esse sistema poderá realizar 10 vezes mais operações do que o cérebro humano e consumir apenas 20 W de energia.

       Agora é aguardar que os engenheiros ponham a mão na massa e afiram se esse neurônio artificial em teia realmente funciona.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=computador-imita-cerebro-supercondutores-leds&id=010150170403&ebol=sim

Bibliografia:

Superconducting Optoelectronic Circuits for Neuromorphic Computing. Jeffrey M. Shainline, Sonia M. Buckley, Richard P. Mirin, Sae Woo Nam. Physical Review Applied Vol.: 7, 034013. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.034013

A supercondutividade promove a magnetização (Superconductivity trained to promote magnetization)

Na spintrônica, a informação é codificada através do spin do elétron, o qual pode ser direcionado ao longo ou contra determinado eixo. Crédito: Universidade de Hamburgo

Sob certas condições, a supercondutividade, que é incompatível com o magnetismo, pode promover a magnetização. Natalya Pugach, pesquisador russo da Lomonosov Moscow State University, descobriu este efeito ainda não explicado com seus colegas britânicos, cujo grupo foi chefiado pelo Professor Matthias Eschrig. Eles sugerem que técnicas baseadas neste efeito podem acelerar futuros supercomputadores baseados na spintrônica.

A equipe estudou as interações entre a supercondutividade e a magnetização, a fim de compreender como controlar o spin dos elétrons. Na microeletrônica tradicional, a informação é codificada através das cargas elétricas. Na eletrônica de spin ou spintrônica, a informação é codificada através do spin do elétron, que pode ser dirigido ao longo ou contra um determinado eixo.

       “Dispositivos supercondutores de spintrônica exigem muito menos energia e emitem muito menos calor. Isso significa que esta tecnologia irá permitir criar supercomputadores muito mais econômicos e estáveis”, explica Natalya Pugach.

       O principal obstáculo ao desenvolvimento destes dispositivos é que os spins dos elétrons e de outras partículas carregadas são muito difíceis de controlar. Os resultados desta pesquisa indicam que supercondutores podem ser úteis no processo de transporte de spin, e ferromagnéticos podem ser utilizados para controlar as rotações.

       Supercondutores são muito sensíveis a campos magnéticos fortes que podem até destruir a supercondutividade, embora supercondutores expulsem campos magnéticos completamente. É quase impossível fazer supercondutores comuns e materiais magnéticos interagirem entre si, devido às suas direções opostas de ordenamento magnético: em sistemas de armazenamento magnético, o campo magnético organiza os spins em uma direção, mas o par de Cooper em supercondutores têm spins no sentido oposto.

       “Meus colegas experimentaram dispositivos chamados válvulas de spin supercondutoras. Elas se parecem com um ‘sanduíche’ feito de nanocamadas de material ferromagnético, supercondutor e outros metais. Ao mudar a direção da magnetização, é possível controlar a corrente no supercondutor. A espessura das camadas é crucial, porque no caso do supercondutor espesso, é impossível observar qualquer efeito interessante”, explica Natalya Pugach.

       Durante os experimentos, os cientistas bombardearam as amostras com múons (partículas que se assemelham aos elétrons, mas são 200 vezes mais pesados) e analisaram ​sua dispersão. Este método tornou possível entender como a magnetização prossegue em diferentes camadas da amostra.

       A válvula de spin consistia de duas camadas ferromagnéticas de cobalto, uma camada supercondutora de nióbio com uma espessura de cerca de 150 átomos e uma camada de ouro. No experimento, os pesquisadores descobriram um efeito inesperado: quando as direções de magnetização em duas camadas ferromagnéticas não são paralelas, a interação entre essas camadas e a camada supercondutora induz a magnetização na camada de ouro, saltando sobre o supercondutor. Quando os cientistas mudaram as direções de magnetização nas duas camadas, tornando-as paralelas, este efeito quase desapareceu, a intensidade do campo diminuiu 20 vezes.

       “Este efeito foi inesperado. Nós ficamos muito surpresos ao descobrir isso. Anteriormente, nós tentamos explicar os resultados com um padrão de distribuição de magnetização conhecido, mas em vão. Temos algumas hipóteses, mas nós ainda não temos nenhuma explicação completa. Não obstante, este efeito nos permitiu usar um novo método de manipulações com spins”, diz Natalya Pugach.

       É bem possível que a descoberta levará a conceitualmente a novos elementos em spintrônica. De acordo com Natalya Pugach, tecnologias supercondutoras de spintrônica podem ajudar a construir supercomputadores e servidores poderosos, minimizando o consumo de energia e emissões de calor de supercomputadores atuais.

       “As tecnologias de computador são baseados em semicondutores, que são bons para computadores pessoais. Mas quando você usa esses semicondutores para construir supercomputadores, que produzem calor e ruído, eles exigem sistemas de refrigeração poderosos. A spintrônica poderia resolver todos esses problemas”, Natalya Pugach conclui.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-10-superconductivity-magnetization.html

Fonte2: http://phys.org/news/2015-10-superconductivity-magnetization.html

Agência de inteligência dos EUA pretende desenvolver um supercomputador usando supercondutores (US intel agency is developing a superconducting exascale computer and cryogenic memory)

Um chip supercondutor do MIT, que usa junções Josephson

O setor secreto de inteligência do governo dos EUA, a Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), anunciou um programa para construir um supercomputador empregando materiais supercondutores. A IARPA junto com a IBM, Raytheon e Northrop Grumman deverão desenvolver o supercomputador, mas os detalhes financeiros exatos do acordo não estão disponíveis. Em última análise, a finalidade do programa é construir um supercomputador em escala exa - um computador que é capaz de executar, pelo menos, 1.000 petaflops (1 exaflop), ou cerca de 40 vezes mais rápido do que os supercomputadores atuais. E sim, caso você esteja se perguntando, esse supercomputador certamente será usado por agências como a CIA e a NSA para quebrar mensagens criptografadas.

        Como você provavelmente já deduziu, a IARPA é uma versão de inteligência do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DARPA). Uma rápida olhada nos programas de pesquisa da IARPA mostra semelhanças com a DARPA, mas com um viés para a engenharia social, computação neuromórfica e análise de big data. Neste caso, o supercomputador supercondutor é parte do programa Cryogenic Computing Complexity (C3).

        A principal tarefa do C3 é encontrar um caminho para a computação em escala exo, que não exija requisitos de energia e refrigeração extremamente caros. Os melhores supercomputadores atuais no mundo consomem cerca de 10 megawatts de energia para fornecer 20 petaflops de computação. Enquanto o hardware está se tornando energeticamente mais eficiente - graças aos avançados nós como o Intel 14 nm e o monstruoso paralelismo do CPU Power8 da IBM - esses avanços por si só não são suficientes para tornar viável a computação em escala exo. É necessário um novo tipo de computação, uma alternativa que não consuma tanta energia nem produza tanto calor.

Já existem alguns processadores quânticos supercondutores, como este de 128 qubit da D-Wave - mas eles não são capazes de aplicações em supercomputação

        Introduzir a lógica supercondutora - que é essencialmente um termo genérico para qualquer tipo de computador que usa a supercondutividade para reduzir a zero a resistência do circuito/transistor - reduzirá massivamente o consumo de energia e a geração de calor. Neste caso, parece que as companhias envolvidas no projeto deverão investigar especificamente a utilização de junções Josephson. Basicamente, se você colocar um semicondutor no meio de um fio supercondutor, você pode ativar o efeito Josephson em um interruptor(comutador,chave) com um baixíssimo consumo de energia. Essa abordagem é chamada de single-flux quantum (SFQ) logic – lógica de um único fluxo de quantum (SFQ) - e mais importante, é possível usá-la para conduzir um computador digital (binário). (computação usando supercondutores faz referência à computação quântica, mas nem sempre)

        O programa C3 da IARPA também considera o desenvolvimento da memória criogênica, que vai operar muito próxima com a CPU contendo supercondutores - mas atualmente não há detalhes sobre o aspecto dessa memória. Em ambos os casos, o poder de processamento não tem sentido sem os caches e a memória principal para apoiá-la.

        O plano é construir um protótipo de lógica supercondutora e memória, e se for um sucesso, avançar para a fase 2 do C3, que deverá ver essas novas tecnologias trabalhando em um supercomputador supercondutor utilizável. Pesquisas iniciais sugerem que a lógica supercondutora pode comutar a velocidades de 770 GHz, e fornecer cerca de 100 petaflops de desempenho enquanto consome apenas 200 kilowatts.

Nesse ínterim, a IBM e a Nvidia estarão prontas para construir dois supercomputadores de 150 petaflops para o Departamento de Energia dos Estados Unidos - que vai ser, de longe, os supercomputadores mais eficientes do mundo, mas que continuam a consumir energia suficiente para alimentar milhares de residências.

Fonte: http://www.extremetech.com/extreme/195322-us-intel-agency-is-developing-a-superconducting-exascale-computer-and-cryogenic-memory