Un equipo de investigadores de la Universidad Texas A&M, el Laboratorio Nacional Sandia, Livermore y la Universidad de Stanford están tomando lecciones del cerebro para diseñar materiales que permitan una computación más eficiente.La nueva clase de materiales descubierta es la primera de su tipo: imita el comportamiento de un axón al propagar espontáneamente una señal eléctrica a medida que viaja a lo largo de una línea de transmisión.Estos hallazgos podrían ser fundamentales para el futuro de la informática y la inteligencia artificial.

Este estudio se publica enNaturaleza.

Cualquierseñal electricaLa propagación en un conductor metálico pierde amplitud debido a la resistencia natural del metal.Las modernas unidades de procesamiento informático (CPU) y de procesamiento gráfico pueden contener alrededor de 30 millas de finos cables de cobre que mueven señales eléctricas dentro del chip.Estas pérdidas se acumulan rápidamente y requieren amplificadores para mantener la integridad del pulso.Estas limitaciones de diseño afectan el rendimiento de los chips actuales con alta densidad de interconexión.

Para combatir esta limitación, los investigadores se inspiraron en los axones.Los axones son una porción de una célula nerviosa o neurona de los vertebrados que puede conducirimpulsos electricoslejos del cuerpo de la célula nerviosa.

"A menudo, queremos transmitir una señal de datos de un lugar a otro, más distante", dijo el autor principal, el Dr. Tim Brown, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Sandia y ex estudiante de doctorado enciencias de los materialese ingeniería en Texas A&M.

"Por ejemplo, es posible que necesitemos transmitir un pulso eléctrico desde el borde de un chip de CPU a transistores cerca de su centro. Incluso para los metales mejor conductores, la resistencia entemperatura ambientedisipa continuamente las señales transmitidas, por lo que normalmente cortamos la línea de transmisión y aumentamos la señal, lo que cuesta energía, tiempo y espacio.La biología hace las cosas de manera diferente: algunas señales en el cerebro también se transmiten a distancias de centímetros, pero a través de axones hechos de materia orgánica mucho más resistente, y sin interrumpir ni aumentar las señales".

Según el Dr. Patrick Shamberger, profesor asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Texas A&M, los axones son la autopista de comunicación.Comunican señales de una neurona a una neurona vecina.Si bien las neuronas son responsables de procesar las señales, los axones son como cables de fibra óptica que mueven las señales de una neurona a su vecina.

Al igual que el modelo del axón, los materiales descubiertos en este estudio existen en un estado preparado, lo que les permite amplificar espontáneamente un pulso de voltaje a medida que pasa por el axón.Los investigadores aprovecharon una transición de fase electrónica en el óxido de lantano y cobalto que hace que se vuelva mucho más conductor de la electricidad a medida que se calienta.Esta propiedad interactúa con las pequeñas cantidades de calor generadas cuando una señal pasa a través del material, lo que da como resultado un circuito de retroalimentación positiva.

El resultado es un conjunto de comportamientos exóticos que no se observan en componentes eléctricos pasivos ordinarios (resistencias, condensadores, inductores), incluida la amplificación de pequeñas perturbaciones, resistencias eléctricas negativas y cambios de fase inusualmente grandes en señales de CA.

Según Shamberger, estos materiales son únicos porque existen en un "estado Ricitos de Oro" semiestable.Los impulsos eléctricos no se desintegran ni presentan descontrol térmico ni se descomponen.En cambio, el material oscilará naturalmente si se mantiene en condiciones de corriente constante.Los investigadores determinaron que podrían aprovechar este comportamiento para crear un comportamiento de picos y amplificar una señal que viaja a lo largo de una línea de transmisión.

"Básicamente aprovechamos las inestabilidades internas del material, que continúan fortaleciendo un pulso electrónico a medida que pasa a lo largo dellínea de transmisión.Si bien este comportamiento había sido predicho teóricamente por nuestro coautor, el Dr. Stan Williams, esta es la primera confirmación de su existencia".

Estos hallazgos pueden ser críticos en el futuro de la informática, que está impulsando una creciente demanda de uso de energía.Se prevé que los centros de datos utilizarán el 8% de la energía de Estados Unidos para 2030, y la inteligencia artificial podría aumentar drásticamente esa demanda.A largo plazo, es un paso hacia la comprensión de los materiales dinámicos y el uso de la inspiración biológica para promover una computación más eficiente.