A Universidade Politécnica de Milão desenvolve um chip que acelera o processamento de dados e reduz o consumo de energia.

A Universidade Politécnica de Milão desenvolveu um chip inovador capaz de acelerar o processamento de dados e reduzir drasticamente o consumo de energia.

Baseado na abordagem de computação em memória de circuito fechado, o dispositivo representa um passo concreto rumo a sistemas de computação mais eficientes e sustentáveis. Publicado na Nature Electronics, o trabalho destaca a viabilidade industrial da computação analógica em memória.

Uma inovação revolucionária na computação: redução do consumo de energia e aumento da velocidade.

O Departamento de Eletrônica, Informação e Bioengenharia (DEIB) da Universidade Politécnica de Milão anunciou a criação de um chip que introduz uma abordagem radicalmente diferente para a computação: Computação em Memória de Circuito Fechado (CL-IMC) . O projeto, liderado pelo Professor Daniele Ielmini e descrito na *Nature Electronics*, é o resultado de anos de pesquisa conduzida no âmbito do programa europeu ANIMATE, financiado por uma bolsa ERC Advanced Grant em 2022.

O objetivo era superar as ineficiências estruturais da arquitetura de von Neumann, na qual dados e instruções precisam ser transferidos continuamente entre a memória e o processador. Esse mecanismo acarreta altos custos de energia e introduz latências significativas em sistemas convencionais, dificultando a escalabilidade para aplicações cada vez mais complexas, como inteligência artificial, robótica e comunicações avançadas .

O princípio da computação em memória de circuito fechado

O conceito básico por trás do CL-IMC baseia-se no processamento de dados diretamente no local onde estão armazenados. Em vez de transferir continuamente informações para a unidade de computação, como ocorre nos sistemas digitais tradicionais, o chip realiza cálculos diretamente na memória . Isso elimina uma das principais ineficiências energéticas da computação tradicional.

Neste caso específico, a abordagem é possível graças a uma combinação de circuitos analógicos e células de memória resistiva programáveis . O chip criado por pesquisadores da Universidade Politécnica utiliza matrizes de 64×64 dessas memórias, integradas com componentes adicionais como células SRAM, resistores e conversores analógico-digitais, em uma arquitetura inteiramente baseada na tecnologia CMOS.

Arquitetura Técnica de Chips: Componentes e Inovações

O dispositivo desenvolvido é um acelerador analógico integrado , projetado para operar em escala de chip e demonstrar a escalabilidade industrial do conceito. Seus principais elementos incluem:

• Matrizes de memória resistiva 64×64 (RRAM): usadas para armazenamento e processamento de dados.
• Componentes CMOS padrão : compatibilidade com os processos de fabricação existentes.
• Amplificadores operacionais e conversores analógico-digitais (ADCs) : para gerenciar sinais analógicos e convertê-los em domínios digitais.
• Células SRAM e resistores integrados : para suportar funções de controle e otimização do fluxo de dados.

A integração desses componentes em um único chip permite que operações complexas sejam executadas diretamente na memória , sem a necessidade de um processador central. Isso possibilita uma redução significativa na latência computacional e uma melhoria na densidade de energia, dois aspectos fundamentais para aplicações de ponta e de alto desempenho.

Resultados experimentais: precisão e desempenho

Em testes experimentais, o chip demonstrou precisão computacional comparável à de sistemas digitais convencionais , mesmo utilizando sinais analógicos. Este é um resultado significativo, visto que a computação analógica é frequentemente associada a dificuldades de precisão.

Ao mesmo tempo, os dados coletados destacam:

• Redução do consumo de energia em comparação com as abordagens tradicionais.
• Menor latência em operações computacionais
• Redução da área ocupada pelo silício , resultando em benefícios de custo e escalabilidade.

O chip é, portanto, configurado como uma plataforma concreta para aplicações reais , com a possibilidade de ser adaptado a contextos computacionalmente intensivos, mantendo a eficiência e a compactação.

Colaborações internacionais e desenvolvimento do projeto ANIMATE

O resultado faz parte do projeto ANIMATE, cujo objetivo é desenvolver uma cadeia tecnológica completa: do dispositivo físico às arquiteturas de sistema , incluindo integração de circuitos e validação em aplicações específicas. O projeto envolveu uma equipe multidisciplinar e internacional, com a contribuição da Universidade de Pequim e a participação de doutorandos, estudantes e pesquisadores seniores.

Piergiulio Mannocci, primeiro autor da publicação, enfatizou como a infraestrutura desenvolvida demonstra o potencial do CL-IMC em cenários de eficiência energética . A abordagem integra conhecimento avançado de física de dispositivos, projeto de circuitos integrados e algoritmos de controle em uma plataforma unificada que torna o sistema facilmente escalável para grandes escalas.

Aplicações potenciais da computação analógica em memória

As implicações dessa tecnologia são significativas em múltiplos campos da ciência da computação e da engenharia. Entre as aplicações mais diretas estão:

Inteligência Artificial : As redes neurais, especialmente na fase de inferência, beneficiam-se diretamente da redução da latência e do consumo de energia, com uma vantagem significativa em dispositivos de borda.

Centros de dados e computação em nuvem : a capacidade de reduzir os custos de energia para o processamento de grandes quantidades de dados representa uma vantagem econômica e ambiental.

Robótica e Automação : Sistemas autônomos exigem processamento em tempo real, que o CL-IMC pode fornecer com maior eficiência.

Telecomunicações avançadas e 6G : a evolução rumo às redes de próxima geração prevê um aumento substancial no tráfego de dados, o que exigirá arquiteturas de computação mais compactas e de alto desempenho.

Perspectivas de transferência industrial e desenvolvimentos futuros

Segundo o professor Daniele Ielmini, o chip desenvolvido demonstra a viabilidade da computação analógica em memória em escala industrial. O objetivo nos próximos anos será transferir essa tecnologia para ambientes de produção reais , colaborando com empresas e parceiros tecnológicos para integrar o CL-IMC em dispositivos comerciais.

O grupo de pesquisa DEIB está atualmente trabalhando em novos protótipos e algoritmos otimizados para melhor explorar a arquitetura analógica . Já houve manifestação de interesse por parte de potenciais investidores e parceiros industriais, visando a futura industrialização da tecnologia.

Um novo paradigma arquitetônico para o hardware do futuro

A criação do chip CL-IMC representa um exemplo de transformação concreta no projeto de sistemas computacionais . Ao superar a separação funcional entre memória e lógica computacional, abre-se uma perspectiva na qual o processamento pode ocorrer próximo aos dados, reduzindo gargalos e aumentando a eficiência geral do sistema.

Este paradigma arquitetônico não substitui os modelos existentes, mas os integra e fortalece, oferecendo soluções direcionadas para cenários específicos de computação intensiva . A abordagem desenvolvida no Politecnico di Milano demonstra a maturidade tecnológica das soluções analógicas em memória e destaca sua aplicabilidade em ambientes reais.

O artigo "Politecnico di Milano desenvolve um chip que acelera o processamento de dados e reduz o consumo de energia" foi publicado em: Tech | CUENEWS .