Investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) han desarrollado una plataforma informática analógica inspirada en el cerebro capaz de almacenar y procesar datos en la asombrosa cifra de 16.500 estados de conductancia dentro de una película molecular.Publicado hoy en la revista.Naturaleza, este avance representa un gran paso adelante con respecto a las computadoras digitales tradicionales en las que el almacenamiento y procesamiento de datos se limitan a solo dos estados.

Una plataforma de este tipo podría llevar tareas complejas de IA, como el entrenamiento de modelos de lenguaje grande (LLM), a dispositivos personales como computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, acercándonos así a democratizar el desarrollo de herramientas de IA.Actualmente, estos desarrollos están restringidos a centros de datos con muchos recursos, debido a la falta de hardware energéticamente eficiente.Con la electrónica de silicio acercándose a la saturación, el diseño de aceleradores inspirados en el cerebro que puedan funcionar junto con chips de silicio para ofrecer una IA más rápida y eficiente también se está volviendo crucial.

"La computación neuromórfica ha tenido una buena cantidad de desafíos sin resolver durante más de una década", explica Sreetosh Goswami, profesor asistente en el Centro de Nanociencia e Ingeniería (CeNSE), IISc, quien dirigió el equipo de investigación."Con este descubrimiento, casi hemos dado con el sistema perfecto, una hazaña poco común".

La operación fundamental que subyace a la mayoría de los algoritmos de IA es bastante básica: la multiplicación de matrices, un concepto que se enseña en matemáticas en la escuela secundaria.Pero en las computadoras digitales, estos cálculos consumen mucha energía.La plataforma desarrollada por el equipo del IISc reduce drásticamente el tiempo y la energía necesarios, lo que hace que estos cálculos sean mucho más rápidos y sencillos.

El sistema molecular en el corazón de la plataforma fue diseñado por Goswami, profesor visitante del CeNSE.A medida que las moléculas y los iones se menean y se mueven dentro de una película material, crean innumerables estados de memoria únicos, muchos de los cuales han sido inaccesibles hasta ahora.La mayoría de los dispositivos digitales sólo pueden acceder a dos estados (alta y baja conductancia), sin poder acceder al infinito número de estados intermedios posibles.

Al utilizar pulsos de voltaje sincronizados con precisión, el equipo del IISc encontró una manera de rastrear de manera efectiva una cantidad mucho mayor de movimientos moleculares y mapear cada uno de ellos en una señal eléctrica distinta, formando un extenso "diario molecular" de diferentes estados.

"Este proyecto unió la precisión de la ingeniería eléctrica con la creatividad de la química, permitiéndonos controlar la cinética molecular con mucha precisión dentro de uncircuito electronicoimpulsado por pulsos de voltaje de nanosegundos", explica Goswami.

Aprovechar estos pequeños cambios moleculares permitió al equipo crear un acelerador neuromórfico altamente preciso y eficiente, que puede almacenar y procesar datos en la misma ubicación, similar al cerebro humano.Estos aceleradores pueden integrarse perfectamente con circuitos de silicio para mejorar su rendimiento y eficiencia energética.

Un desafío clave al que se enfrentó el equipo fue caracterizar los distintos estados de conductancia, lo que resultó imposible con los equipos existentes.El equipo diseñó una placa de circuito personalizada que podía medir voltajes tan pequeños como una millonésima de voltio, para identificar estos estados individuales con una precisión sin precedentes.

El equipo también convirtió este descubrimiento científico en una hazaña tecnológica.Pudieron recrear la imagen icónica de los "Pilares de la Creación" de la NASA a partir de los datos del Telescopio Espacial James Webb, creada originalmente por una supercomputadora, usando solo una computadora de mesa.También pudieron hacer esto en una fracción del tiempo y energía que necesitarían las computadoras tradicionales.

El equipo incluye varios estudiantes y becarios de investigación del IISc.Deepak Sharma realizó el diseño de circuitos y sistemas y la caracterización eléctrica, Santi Prasad Rath se encargó de la síntesis y la fabricación, Bidyabhusan Kundu se encargó del modelado matemático y Harivignesh S diseñó un comportamiento de respuesta neuronal bioinspirado.El equipo también colaboró ​​con Stanley Williams, profesor de la Universidad Texas A&M y Damien Thompson, profesor de la Universidad de Limerick.

Los investigadores creen que este avance podría ser uno de los mayores avances de la India en hardware de IA, colocando al país en el mapa de la innovación tecnológica global.Navakanta Bhat, profesora del CeNSE y experta enelectrónica de silicioLideró el diseño del circuito y sistema en este proyecto.

"Lo que destaca es cómo hemos transformado la compleja comprensión de la física y la química en una tecnología innovadora para el hardware de IA", explica."En el contexto de la Misión India Semiconductores, este desarrollo podría cambiar las reglas del juego, revolucionando las aplicaciones industriales, de consumo y estratégicas. No se puede subestimar la importancia nacional de dicha investigación".

Con el apoyo del Ministerio de Electrónica y Tecnología de la Información, el equipo del IISc se centra ahora en desarrollar un chip neuromórfico integrado totalmente autóctono.

"Se trata de un esfuerzo totalmente propio, desde los materiales hasta los circuitos y sistemas", subraya Goswami."Estamos en el buen camino para traducir esta tecnología en un sistema en un chip".