Cada consulta de un motor de búsqueda, cada texto generado por IA y avances como la conducción autónoma:en la era de la inteligencia artificial (IA) y el big data, los ordenadores y los centros de datos consumen mucha energía. Por el contrario, el cerebro humano es mucho más eficiente energéticamente. Para desarrollar ordenadores más potentes y que ahorren energía inspirados en el cerebro, un equipo de investigación de Ciencia de Materiales e Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Kiel (CAU) ha identificado los requisitos fundamentales para el hardware adecuado.
Los científicos han desarrollado materiales que se comportan dinámicamente de forma similar a los sistemas nerviosos biológicos. Sus resultados han sido publicados en la revista Materials Today. y podría conducir a un nuevo tipo de procesamiento de información en sistemas electrónicos.
"Los ordenadores procesan información en serie, mientras que nuestro cerebro procesa información en paralelo y dinámicamente. Esto es mucho más rápido y utiliza menos energía, por ejemplo en el reconocimiento de patrones", dice el Prof. Dr. Hermann Kohlstedt, profesor de Nanoelectrónica y portavoz del Centro de Investigación Colaborativa 1461. Neurotrónica en la Universidad de Kiel.
Los investigadores quieren utilizar la naturaleza como fuente de inspiración para nuevos componentes electrónicos y arquitecturas informáticas. A diferencia de los chips, transistores y procesadores de computadora convencionales, están diseñados para procesar señales de manera similar a la red de neuronas y sinapsis en constante cambio de nuestro cerebro.
"Pero los ordenadores todavía se basan en la tecnología del silicio. Aunque en el hardware se han producido avances impresionantes en términos de xy, las redes de neuronas y sinapsis siguen sin tener rival en términos de conectividad y robustez", afirma el Dr. Alexander Vahl, científico de materiales. Se necesita investigación sobre nuevos materiales y procesos para poder mapear la dinámica del procesamiento de la información biológica.
Por ello, el equipo de investigación se centró en desarrollar materiales que se comportaran dinámicamente de forma similar a los sistemas nerviosos biológicos tridimensionales. La "dinámica" se crea aquí porque la disposición de los átomos y las partículas en los materiales puede cambiar. Para ello, los investigadores han identificado siete principios básicos que debe cumplir el hardware informático para funcionar de forma similar al cerebro.
Entre ellos se incluye, por ejemplo, un cierto grado de variabilidad:la llamada plasticidad del cerebro es un requisito para los procesos de aprendizaje o de memoria. Los materiales que los investigadores desarrollaron en respuesta a esto cumplen varios de estos principios básicos. Sin embargo, el material "definitivo" que lo cumple todo aún no existe.
"Cuando combinamos estos materiales entre sí o con otros materiales, abrimos posibilidades para los ordenadores que van más allá de la tecnología tradicional del silicio", afirma el Prof. Dr. Rainer Adelung, profesor de nanomateriales funcionales. "La industria y la sociedad necesitan cada vez más potencia informática, pero estrategias como la miniaturización de la electrónica están alcanzando sus límites técnicos en los ordenadores estándar. Con nuestro estudio queremos abrir nuevos horizontes."
Como ejemplo, Maik-Ivo Terasa, investigador doctoral en ciencia de materiales y uno de los primeros autores del estudio, describe el comportamiento inusual de las redes granulares especiales desarrolladas por el equipo de investigación. "Si producimos nanopartículas de plata y oro de una determinada manera y les aplicamos una señal eléctrica, muestran propiedades especiales. Se caracterizan por un equilibrio entre estabilidad y un cambio rápido en su conductividad". De manera similar, el cerebro funciona mejor cuando existe un equilibrio entre plasticidad y estabilidad, conocido como criticidad.
En otros tres experimentos, los investigadores demostraron que tanto las nanopartículas de óxido de zinc como los filamentos metálicos formados electroquímicamente pueden usarse para cambiar las rutas de la red mediante la entrada eléctrica de osciladores. Cuando el equipo de investigación conectó estos circuitos, las desviaciones de sus señales eléctricas se sincronizaron con el tiempo. Algo similar ocurre durante la percepción sensorial consciente con los impulsos eléctricos que intercambian información entre neuronas.
Más información: Maik-Ivo Terasa et al, Caminos hacia primitivos informáticos verdaderamente similares al cerebro, Materials Today (2023). DOI:10.1016/j.mattod.2023.07.019
Información de la revista: Materiales hoy
Proporcionado por la Universidad de Kiel
