La técnica aprovecha la luz para hacer avanzar el cerebro

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La inteligencia artificial, el aprendizaje automático y ChatGPT pueden ser palabras de moda relativamente nuevas en el dominio público, pero desarrollar una computadora que funcione como el cerebro humano y el sistema nervioso, tanto el hardware como el software combinados, ha sido un desafío de décadas. Ingenieros de la Universidad de Pittsburgh están explorando hoy cómo los "memristores" ópticos pueden ser la clave para desarrollar la computación neuromórfica.

Las resistencias con memoria, o memristores, ya han demostrado su versatilidad en electrónica, con aplicaciones como elementos de circuitos computacionales en computación neuromórfica y elementos de memoria compacta en almacenamiento de datos de alta densidad. Su diseño único allanó el camino para la computación en memoria y captó un gran interés por parte de científicos e ingenieros por igual.

Un nuevo artículo de revisión titulado "Memristores ópticos integrados" arroja luz sobre la evolución de esta tecnología y el trabajo que aún queda por hacer para que alcance su máximo potencial. Dirigido por Nathan Youngblood, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, el artículo explora el potencial de los dispositivos ópticos que son análogos a los memristores electrónicos. Esta nueva clase de dispositivo podría desempeñar un papel importante en la revolución de la computación neuromórfica de gran ancho de banda, el hardware de aprendizaje automático y la inteligencia artificial en el dominio óptico.

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"Los investigadores están realmente cautivados por los memristores ópticos debido a su increíble potencial en computación neuromórfica de gran ancho de banda, hardware de aprendizaje automático e inteligencia artificial", explicó Youngblood. "Imagínese fusionar las increíbles ventajas de la óptica con el procesamiento de información local. Es como abrir la puerta a un nuevo reino de posibilidades tecnológicas que antes eran inimaginables".

El artículo de revisión presenta una descripción completa del progreso reciente en este campo emergente de los circuitos integrados fotónicos. Explora el estado actual de la técnica y destaca las posibles aplicaciones de los memristores ópticos, que combinan los beneficios de la comunicación óptica ultrarrápida y de gran ancho de banda con el procesamiento de información local. Sin embargo, la escalabilidad surgió como el problema más apremiante que la investigación futura debería abordar.

"Ampliar la computación en memoria o neuromórfica en el dominio óptico es un gran desafío. Tener una tecnología que sea rápida, compacta y eficiente hace que la ampliación sea más alcanzable y representaría un gran paso adelante", explicó Youngblood.

"Un ejemplo de las limitaciones es que si tomara materiales de cambio de fase, que actualmente tienen la densidad de almacenamiento más alta para la memoria óptica, e intentara implementar una red neuronal relativamente simple en el chip, se necesitaría una oblea del tamaño de un portátil para acomodar todas las celdas de memoria necesarias", continuó. "El tamaño importa para la fotónica, y necesitamos encontrar una manera de mejorar la densidad de almacenamiento, la eficiencia energética y la velocidad de programación para hacer computación útil a escalas útiles".

Los memristores ópticos pueden revolucionar la computación y el procesamiento de la información en varias aplicaciones. Pueden permitir el recorte activo de circuitos integrados fotónicos (PIC), lo que permite ajustar y reprogramar los sistemas ópticos en el chip según sea necesario sin consumir energía continuamente. También ofrecen almacenamiento y recuperación de datos de alta velocidad, con la promesa de acelerar el procesamiento, reducir el consumo de energía y permitir el procesamiento paralelo.

Los memristores ópticos pueden incluso usarse para sinapsis artificiales y arquitecturas inspiradas en el cerebro. Los memristores dinámicos con almacenamiento no volátil y salida no lineal replican la plasticidad a largo plazo de las sinapsis en el cerebro y allanan el camino para potenciar las arquitecturas informáticas de integración y activación.

La investigación para ampliar y mejorar la tecnología de memristores ópticos podría desbloquear posibilidades sin precedentes para la computación neuromórfica de gran ancho de banda, el hardware de aprendizaje automático y la inteligencia artificial.

"Observamos muchas tecnologías diferentes. Lo que notamos es que todavía estamos lejos del objetivo de un memristor óptico ideal, algo que sea compacto, eficiente, rápido y que cambie las propiedades ópticas de manera significativa. - Dijo Sangre Joven. "Todavía estamos buscando un material o un dispositivo que realmente cumpla con todos estos criterios en una sola tecnología para impulsar el campo".

Referencia: Youngblood N, Ríos Ocampo CA, Pernice WHP, Bhaskaran H. Memristores ópticos integrados. Nat Fotón. 2023: 1-12. doi: 10.1038/s41566-023-01217-w

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