Novos memoristores superam “esquecimento catastrfico” da IA

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 09/04/2025

Computador com plasticidade

Assim como os transistores so a base de toda a nossa eletrnica e computao, os memoristores so o componente fundamental da nascente computao neuromrfica, que imita o crebro, prometendo fazer tudo mais rpido com um consumo muito menor de energia.

E agora esses componentes ficaram ainda melhores, reunindo caractersticas que permitem que eles superem o problema do “esquecimento catastrfico”, no qual as redes neurais artificiais esquecem abruptamente informaes aprendidas anteriormente quando os sistemas de inteligncia artificial recebem novos conjuntos de dados para melhorar seu treinamento.

Shaochuan Chen e colegas do Centro de Pesquisa Juelich, na Alemanha, fabricaram novos componentes memorresistivos que apresentaram vantagens significativas em relao s verses anteriores: Eles funcionam em uma faixa de voltagem mais ampla, podem operar nos modos analgico e digital e so mais robustos, ou seja, menos suscetveis a problemas de funcionamento.

“Suas propriedades nicas permitem o uso de diferentes modos de comutao para controlar a modulao do memoristor, de tal forma que as informaes armazenadas no sejam perdidas,” disse o professor Ilia Valov, cuja equipe pioneira no desenvolvimento de neurnios artificiais feitos de nanofios.

O problema do esquecimento catastrfico ocorre quando redes neurais profundas so treinadas para uma nova tarefa. Ele ocorre porque uma nova otimizao simplesmente substitui uma anterior. O crebro no tem esse problema porque ele aparentemente ajusta o grau de mudana sinptica. Os neurocientistas agora j reconhecem uma nova camada no aprendizado, que eles chamam de “metaplasticidade”. Eles suspeitam que somente por meio desses diferentes graus de plasticidade que nosso crebro pode aprender permanentemente novas tarefas sem esquecer o contedo antigo.

O novo memoristor faz algo semelhante.

Filamento do novo componente neuromrfico.
[Imagem: Shaochuan Chen et al. – 10.1038/s41467-025-57543-w]

Memoristores

Os memoristores so essencialmente resistores com memria: Sua resistncia eltrica muda dependendo da tenso aplicada e, diferentemente dos componentes convencionais, seu valor de resistncia permanece mesmo aps a energia ter sido desligada. Isso ocorre porque os memoristores passam por mudanas estruturais – por exemplo, devido deposio de tomos nos eletrodos.

“Elementos memorresistivos so considerados candidatos ideais para componentes de computador com capacidade de aprendizagem e inspirao neurolgica, modelados no crebro,” destaca Valov.

Mas seu uso disseminado tem tropeado em problemas na fabricao industrial – nem todos os componentes funcionam da maneira esperada – e em uma vida til muito curta, alm de serem muito sensveis, pifando precocemente por problemas mecnicos ou de aquecimento.

A equipe ento inovou de modo radical, usando novos materiais e um mecanismo de chaveamento totalmente novo. “Ns descobrimos um mecanismo memorresistivo eletroqumico fundamentalmente novo, que quimicamente e eletricamente mais estvel,” explicou Valov.

Imagens do canal condutor feitas por microscopia eletrnica de transmisso.
[Imagem: Shaochuan Chen et al. – 10.1038/s41467-025-57543-w]

Novo mecanismo para memoristor

At agora eram conhecidos dois mecanismos principais para o funcionamento dos memoristores bipolares: Metalizao eletroqumica (ECM: electrochemical metallization) e mecanismo de mudana de valncia (VCM: valence change mechanism), cada um com suas vantagens e desvantagens.

Os memoristores ECM formam um filamento metlico entre os dois eletrodos, uma pequena “ponte condutora” que altera a resistncia eltrica e se dissolve novamente quando a tenso invertida. Seu parmetro crtico a barreira de energia (resistncia) da reao eletroqumica. Ele opera com tenses de comutao mais baixas e menores tempos de comutao, mas os estados so variveis e relativamente curtos.

Os memristores VCM, por outro lado, no alteram a resistncia atravs do movimento de ons metlicos, mas sim atravs do movimento de ons de oxignio na interface entre o eletrodo e o eletrlito, modificando a chamada barreira Schottky. Este processo comparativamente estvel, mas requer altas tenses de comutao.

“Assim, nos propusemos a projetar um memoristor que combinasse os benefcios de ambos os tipos,” disse Valov, acrescentando que seus colegas especialistas sempre consideraram isso impossvel. Mas era impossvel nas plataformas j conhecidas, por isso eles se voltaram para novos materiais e novos modos de funcionamento.

“Nosso novo memorresistor baseado em um princpio completamente diferente: Ele utiliza um filamento feito de xidos metlicos, em vez de um puramente metlico, como o ECM,” explicou Valov. “Esse filamento formado pelo movimento de ons de oxignio e tntalo e altamente estvel – ele nunca se dissolve completamente. Voc pode pensar nele como um filamento que sempre existe at certo ponto e apenas modificado quimicamente.”

O resultado um memoristor muito robusto, que a equipe batizou de memoristor de modificao de condutividade de filamento (FCM: filament conductivity modification). Os componentes baseados neste mecanismo tm vrias vantagens: So qumica e eletricamente mais estveis, mais resistentes a altas temperaturas, tm uma janela de tenso mais ampla e exigem tenses mais baixas para serem produzidos. Como resultado, menos componentes queimam durante o processo de fabricao, a taxa de rejeio menor e sua vida til maior.

O componente supera no hardware o esquecimento catastrfico das redes neurais profundas.
[Imagem: Shaochuan Chen et al. – 10.1038/s41467-025-57543-w]

Soluo para o esquecimento catastrfico

Mas tem mais: Os diferentes estados de oxidao permitem que o novo memoristor seja operado em um modo binrio e/ou analgico.

Enquanto os sinais binrios so digitais e podem gerar apenas dois estados, os sinais analgicos so contnuos e podem assumir qualquer valor intermedirio. Essa combinao de comportamento analgico e digital particularmente interessante para chips neuromrficos porque pode ajudar a superar o problema do esquecimento catastrfico.

Isso porque o novo memoristor hmico alcana algo similar metaplasticidade aventada pela neurocincia: “Suas propriedades nicas permitem o uso de diferentes modos de comutao para controlar a modulao do memoristor, de tal forma que as informaes armazenadas no sejam perdidas,” disse Valov.

Os pesquisadores j implementaram o novo componente memorresistivo em um modelo de uma rede neural artificial em uma simulao. Em vrios conjuntos de dados de imagem, o sistema atingiu um alto nvel de preciso no reconhecimento de padres. Mas esta no sua palavra final, e a equipe pretende continuar procurando outros materiais que possam funcionar ainda melhor e de forma mais estvel do que a verso apresentada agora. “Nossos resultados avanaro ainda mais o desenvolvimento de eletrnicos para aplicaes de ‘computao na memria’,” disse Valov.

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