Ingenieros del MIT recrean 'un cerebro en un chip'

La complejidad de la tecnología se agranda a medida que se avanza en su investigación. En el MIT, un grupo e ingenieros han diseñado lo que podría denominarse como 'un cerebro en un chip' con un tamaño inferior a un pedazo de confeti, y compuesto por decenas de miles de sinapsis cerebrales artificiales conocidas como memristores - componentes basados en silicio que imitan las sinapsis de transmisión de información en el cerebro humano.

Los investigadores tomaron prestados los principios de la metalurgia para fabricar cada memristor a partir de aleaciones de plata y cobre, junto con el silicio. Cuando pasaron el chip por varias tareas visuales, el chip fue capaz de "recordar" imágenes almacenadas y reproducirlas muchas veces, en versiones que eran más nítidas y limpias comparadas con los diseños de memristores existentes hechos con elementos no aleados.

"Hasta ahora, las redes de sinapsis artificiales existen como software. Estamos tratando de construir hardware de redes neuronales reales para sistemas portátiles de inteligencia artificial", dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Imagina conectar un dispositivo neuromórfico a una cámara en tu coche, y hacer que reconozca luces y objetos y tome una decisión inmediatamente, sin tener que conectarse a Internet. Esperamos usar memristores de bajo consumo para hacer esas tareas in situ, en tiempo real".

"Hasta ahora, las redes de sinapsis artificiales existen como software. Estamos tratando de construir hardware de redes neuronales reales para sistemas portátiles de inteligencia artificial"

Sus resultados, publicados en la revista Nature Nanotechnology, demuestran un nuevo y prometedor diseño de memristores para dispositivos neuromórficos - electrónica que se basa en un nuevo tipo de circuito que procesa la información de manera que imita la arquitectura neural del cerebro. Tales circuitos inspirados en el cerebro podrían ser incorporados en pequeños dispositivos portátiles y llevarían a cabo tareas computacionales complejas que sólo las supercomputadoras de hoy en día pueden manejar.

Los memristores, o transistores de memoria, son un elemento esencial en la computación neuromórfica. En un dispositivo neuromórfico, un memristor serviría como transistor en un circuito, aunque su funcionamiento se asemejaría más a una sinapsis cerebral - la unión entre dos neuronas. La sinapsis recibe señales de una neurona, en forma de iones, y envía una señal correspondiente a la siguiente neurona.

Bases en la metalurgia

Para arreglar los problemas de limitación que se encontraron, los ingenieros dieron con una técnica de la metalurgia, la ciencia de la fusión de metales en aleaciones y estudiando sus propiedades combinadas.

"Tradicionalmente, los metalúrgicos tratan de añadir diferentes átomos en una matriz de masa para fortalecer los materiales, y pensamos, ¿por qué no ajustar las interacciones atómicas en nuestro memristor, y añadir algún elemento de aleación para controlar el movimiento de los iones en nuestro medio?", comentaba Kim.

"Nos gustaría desarrollar más esta tecnología para tener arreglos a mayor escala para hacer tareas de reconocimiento de imágenes". 

A menudo se suele utilizar la plata como material para el electrodo positivo de un memristor, pero el equipo de investigadores buscó un nuevo elemento que pudieran combinar con la plata para mantener los iones de plata juntos de manera efectiva, mientras que les permite fluir rápidamente a través del otro electrodo. Así, dieron con el cobre, el elemento de aleación ideal, ya que es capaz de unirse tanto con la plata como con el silicio. "Actúa como una especie de puente, y estabiliza la interfaz de plata-silicio", dice Kim.

El equipo de investigadores buscó un nuevo elemento que pudieran combinar con la plata para mantener los iones de plata juntos de manera efectiva y encontró la solución en el cobre

Como primera prueba del chip, recrearon una imagen en escala de grises del escudo del Capitán América. Equipararon cada píxel de la imagen con el correspondiente memristor del chip. Luego modularon la conductancia de cada "memristor" que era relativa en fuerza al color del píxel correspondiente. 

"Estamos usando sinapsis artificiales para hacer pruebas de inferencia reales", explica Kim. "Nos gustaría desarrollar más esta tecnología para tener arreglos a mayor escala para hacer tareas de reconocimiento de imágenes. Y algún día, podrías ser capaz de llevar cerebros artificiales para hacer este tipo de tareas, sin conectarte a las supercomputadoras, a Internet o a la nube".