Cuando pensamos en una moderna CPU, los datos deben fluir continuamente entre el sistema de procesamiento central, las distintas cachés y los módulos de memoria RAM externos. La Informática Neuromórfica contribuirá a revolucionar la forma en que la información es almacenada y procesada.
El funcionamiento de todos los sistemas en los que la memoria y la capacidad de procesamiento están separadas está limitado por el ancho de banda de los canales de comunicación que conectan los diversos elementos (bus). Este problema es conocido como el "cuello de botella de von Neumann".
¿Qué es el cuello de botella en la arquitectura de von Neumann?
La arquitectura de von Neumann es el modelo básico utilizado en el diseño de los ordenadores modernos. Recibe su nombre en honor a John von Neumann, matemático e informático que contribuyó significativamente al desarrollo de esta arquitectura. Esta comprende cuatro componentes fundamentales: la unidad central de procesamiento (CPU), la memoria, las entradas y salidas (E/S) y la unidad de control. Los datos deben ser transferidos desde la memoria a la CPU y viceversa a través de un único bus, lo que puede causar una desaceleración en la velocidad de procesamiento de datos.
Dado que la velocidad de procesamiento de la CPU suele ser mucho mayor que la velocidad de acceso a la memoria, puede producirse un desperdicio de tiempo mientras la CPU espera la respuesta de la memoria.
Este es el motivo por el cual todas las empresas de diseño de semiconductores (como Intel, AMD, NVidia y muchas otras) desarrollan hardware dedicado que acelera este intercambio de información, como Infinity Fabric y NVLink.
El problema es que el intercambio de información entre los componentes del sistema tiene un costo energético que actualmente limita los logros que se pueden alcanzar.
La Informática Neuromórfica: qué es y cómo cambiará el funcionamiento de los dispositivos
Investigadores de la Universidad de Cambridge han presentado una tecnología que abre las puertas al concepto de Informática Neuromórfica, capaz en el futuro de acercarse a las capacidades cognitivas del cerebro humano. El objetivo es crear sistemas que sean más eficientes y poderosos en el procesamiento de información, similares a las capacidades de aprendizaje, reconocimiento de patrones, adaptación y flexibilidad que todos utilizamos a diario.
La solución descrita por los académicos se denomina "resistive switching memory" (memoria conmutada resistivamente): combina las funciones de un medio de almacenamiento con las de un medio de procesamiento. Esto es muy diferente de la tecnología de los semiconductores actuales, donde los requisitos de diseño y disposición de los transistores y materiales son ampliamente diferentes para las celdas de memoria y las celdas de procesamiento. No hay forma de unir estos dos mundos, al menos no con las tecnologías utilizadas actualmente.
Mientras que la memoria convencional solo puede manejar dos estados, un dispositivo de memoria de conmutación resistiva permite considerar una gama de estados diferentes. Esto permite utilizar un rango más amplio de tensiones y, en consecuencia, codificar más información.
Dispositivos de Sinapsis
Los dispositivos desarrollados por el equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge se denominan synapse devices o dispositivos de sinapsis, porque están diseñados o inspirados en las sinapsis biológicas presentes en el cerebro y el sistema nervioso. Las sinapsis son las conexiones entre las neuronas que les permiten comunicarse y transmitir señales eléctricas y químicas para procesar y transmitir información a nivel cerebral.
Para la realización de los primeros prototipos de dispositivos de sinapsis, los investigadores identificaron dos materiales que contribuyen a manifestar el comportamiento deseado: bario (Ba) colocado sobre finas películas de óxido de hafnio (HfO2), lo que permite optimizar el flujo de electrones cuando se aplica una diferencia de potencial. De esta manera, no solo se pueden maximizar las prestaciones, sino también aumentar significativamente la densidad de datos, hasta 100 veces más que los estándares actuales.
Con la densidad de la memoria RAM duplicándose cada cuatro años, los fabricantes tardarían décadas en alcanzar el mismo nivel de densidad que la tecnología presentada por los expertos de Cambridge aspira a introducir en el futuro.
Los dispositivos sinápticos descritos por los investigadores, de hecho, pueden acceder, como se explicó anteriormente, a la gestión de muchos más niveles de tensión que, por ejemplo, la mejor tecnología NAND utilizada en las memorias SSD de hoy en día.
Por supuesto, gran parte de este trabajo aún está en fase teórica. Sin embargo, parece que el modus operandi presentado por los investigadores de Cambridge es convincente. Además, la industria de los semiconductores ya utiliza el óxido de hafnio, por lo que no sería una novedad absoluta, incluso en términos de equipamiento.
La Informática Neuromórfica promete transformar la forma en que nuestros ordenadores y dispositivos electrónicos procesan y almacenan información, llevándolos a niveles de eficiencia y rendimiento hasta ahora inimaginables. Aunque todavía es un campo en desarrollo, los avances presentados por los investigadores son prometedores y podrían abrir la puerta a una nueva era en la tecnología informática. Habrá que seguir de cerca los avances en esta área para ver cómo se desarrolla esta fascinante revolución tecnológica.
