Japão e EUA criam primeiro chip spintrônico de silício

Uma equipe de pesquisadores do Japão e dos Estados Unidos desenvolveu o que descreve como o primeiro chip spintrônico de silício baseado em p-bits do mundo. O dispositivo foi criado por cientistas da Universidade de Tohoku, no Japão, e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST), marcando um avanço na área de computação probabilística, tecnologia apontada como promissora para aplicações em inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina.

Segundo os pesquisadores, o componente foi fabricado em um chip de silício utilizando processos convencionais da indústria de semicondutores. A equipe também afirmou ter comprovado experimentalmente o funcionamento do p-bit, considerado a unidade básica da computação probabilística. O estudo foi publicado na revista científica IEEE Electron Device Letters.

O que diferencia os p-bits dos bits tradicionais

Os computadores atuais processam informações usando bits que assumem apenas dois estados possíveis: 0 ou 1. Esse modelo binário está presente em praticamente toda a infraestrutura digital moderna, incluindo smartphones, supercomputadores, centros de dados e sistemas de inteligência artificial.

Computadores atuais utilizam bits que assumem os estados 0 ou 1; os novos p-bits exploram comportamentos probabilísticos para ampliar as possibilidades de processamento – Imagem: Avector / Shutterstock

No entanto, os cientistas destacam que esse método encontra limitações quando precisa explorar um número muito grande de possibilidades para encontrar soluções. Nesse contexto, entram os p-bits, elementos eletrônicos que oscilam aleatoriamente entre os estados 0 e 1.

A computação probabilística aproveita essa característica para explorar simultaneamente diferentes possibilidades. Por isso, é considerada uma alternativa atraente para tarefas relacionadas a IA, machine learning e problemas de otimização.

Spintrônica foi usada para criar o novo chip

A pesquisa foi liderada por Ju-Young Yoon, PhD e pesquisador do laboratório de nanoeletrônica e spintrônica da Universidade de Tohoku. O trabalho combinou técnicas de fabricação de semicondutores e de dispositivos spintrônicos desenvolvidas tanto no Japão quanto nos Estados Unidos.

A spintrônica é uma tecnologia que processa e armazena informações utilizando o spin quântico dos elétrons. Em vez de depender apenas da carga elétrica, ela explora também as propriedades magnéticas dessas partículas.

De acordo com os pesquisadores, essa abordagem é considerada especialmente promissora para a construção de computadores probabilísticos porque dispositivos magnéticos em escala nanométrica conseguem gerar naturalmente comportamentos probabilísticos por meio de flutuações magnéticas.

Chip foi fabricado com processo CMOS de 130 nanômetros

Para produzir os transistores e as camadas inferiores de interconexão, a equipe utilizou o processo CMOS de 130 nanômetros fornecido pela SkyWater Technology, empresa de semicondutores sediada em Minnesota, nos Estados Unidos.

Posteriormente, os pesquisadores integraram nanodispositivos superparamagnéticos e eletrodos superiores utilizando as instalações de fabricação de dispositivos spintrônicos da Universidade de Tohoku.

Trabalhador em fábrica de semicondutores manipula wafer de silício, base para a produção de chips – Imagem: metamorworks / Shutterstock

Os testes mostraram duas características consideradas essenciais para o funcionamento de um p-bit. A primeira foi a observação de flutuações estocásticas na tensão de saída ao longo do tempo, comprovando que o dispositivo podia alternar naturalmente entre diferentes estados.

A segunda foi a capacidade de controlar a saída média por meio da aplicação de uma tensão de entrada. Isso permitiu ajustar o comportamento probabilístico do componente.

Segundo os cientistas, esta é a primeira demonstração experimental de um p-bit spintrônico integrado monoliticamente em um chip de silício utilizando processos de circuitos integrados semicondutores.

Próximo passo é ampliar a escala da tecnologia

Os pesquisadores afirmam que os resultados podem abrir caminho para o desenvolvimento de computadores probabilísticos spintrônicos maiores e mais complexos.

A expectativa da equipe é que avanços adicionais nas tecnologias de dispositivos e circuitos, além do aumento do número de p-bits integrados, aproximem essa arquitetura de uma implementação prática em larga escala.

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