Vêm aí os computadores caóticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/11/2010

Portas lógicas booleanas

Com todas as maravilhas que seu computador lhe permite, no fundo, no fundo, ele é feito de minúsculas chaves, chamadas transistores, arranjadas na forma de pequenos circuitos, chamados portas lógicas.

Uma porta lógica é um circuito que recebe duas entradas e fornece um resultado de saída.

As portas caóticas permitem construir dispositivos de computação com a capacidade de se reconfigurar em uma série de portas lógicas diferentes. [Imagem: Ditto et al./Chaos]

Para que seu computador funcione da maneira que você espera, essas portas lógicas devem dar resultados muito precisos. Uma porta AND, por exemplo, só deve dar resultado 1 se houver pelo menos uma entrada 1. E uma porta OR deverá dar sempre resultado 1, a menos que haja duas entradas 0.

Se parece confuso, saiba que, juntando meia dúzia de "maquininhas" capazes de tomar decisões desse tipo, você nem precisa de transistores, e pode construir um computador de qualquer coisa - de varetas e cordas ou de copos e canos com água, por exemplo.

Mas suas "maquininhas", ou suas portas lógicas, deverão sempre dar respostas simples, precisas e unidirecionais - ou 0 ou 1, dependendo dos dois valores que entram. Depois é só montar tudo em uma estrutura hierárquica bem definida e você terá um computador.

Portas caóticas

Mas agora um grupo de cientistas de várias universidades norte-americanas está propondo uma mudança radical nesse enfoque.

Em vez do determinismo e da precisão das portas lógicas tradicionais, eles acreditam que é possível construir computadores melhores usando "portas caóticas", ou portas que tomam suas decisões com base nos fenômenos descritos pela teoria do caos.

De forma bem simplificada, eles usaram padrões caóticos para codificar e manipular as entradas de forma a produzir a saída desejada.

Eles selecionaram os padrões desejados a partir da infinita variedade oferecida por um sistema caótico. Um subconjunto desses padrões foi então utilizado para mapear as entradas do sistema (as condições iniciais) nos resultados desejados.

O mais interessante é que esse processo permite construir dispositivos de computação com a capacidade de se reconfigurar em uma série de portas lógicas diferentes.

Eles batizaram essas portas capazes de se metamorfosear de Chaogates. E, como sempre acontece nas universidades norte-americanas, e deveria também acontecer nas brasileiras, eles fundaram uma empresa, a ChaoLogix, para tentar vender sua ideia.

Imagine um computador capaz de mudar seu próprio comportamento interno para criar um bilhão de chips customizados a cada segundo, baseado no que o usuário está fazendo naquele segundo. [Imagem: Ditto et al./Chaos]

Computador metamórfico

"Imagine um computador capaz de mudar seu próprio comportamento interno para criar um bilhão de chips customizados a cada segundo, baseado no que o usuário está fazendo naquele segundo - um computador que possa reconfigurar a si mesmo para se tornar o computador mais rápido no momento para a sua aplicação," vislumbra William Ditto, da Universidade do Arizona, um dos autores da nova técnica.

Segundo Ditto, a ChaoLogix já está montando os primeiros protótipos de computador caótico e já é possível verificar que a abordagem poderá ser útil para equipamentos eletrônicos comuns, para computadores voltados para jogos e para sistemas de informática mais seguros.

Segundo o pesquisador, os processadores caóticos não apenas poderão ser fabricados com a mesma tecnologia dos atuais, como eles poderão ser incluídos em circuitos mistos, que mesclem processadores lógicos convencionais e processadores caóticos.

"As portas caóticas são os blocos básicos de novos sistemas computacionais baseados no caos, que vão explorar as gigantescas capacidades de formação de padrões dos sistemas caóticos em benefício da computação," diz ele.

Mapa logístico

Ao contrário do que se possa imaginar, sistemas caóticos não são nem aleatórios e nem imprevisíveis: eles apresentam padrões irregulares extremamente sensíveis às condições iniciais.

Um sistema caótico gera uma saída em resposta a uma dada entrada, de forma muito parecida com um circuito booleano tradicional - mas a saída é muito sensível aos valores de entrada e às condições iniciais da rede.

Ditto e seus colegas descobriram que a adição de mecanismos de controle bastante simples permite definir o padrão de saída de forma muito segura - isto significa que uma mesma porta caótica pode executar várias funções lógicas.

A chave para a geração de múltiplas saídas a partir do mesmo conjunto de entradas é baseada em um conceito chamado "mapa logístico", que descreve uma função matemática não-linear que mapeia as entradas para uma saída específica.

Os cientistas desenvolveram uma função de mapeamento logístico que utiliza as propriedades não-lineares de um transístor CMOS comum de tal forma que é possível criar uma célula caótica muito eficiente.

Computadores híbridos

Circuitos de interfaces simples permitem que a célula caótica seja interconectada com outros circuitos caóticos ou com portas lógicas booleanas tradicionais, abrindo o caminho para a tecnologia e para a viabilização de computadores híbridos.

Uma das vantagens das portas caóticas é que elas possuem uma "assinatura de potência" que é independente do estado lógico de entrada.

Esta é uma característica importante para aplicações seguras, permitindo o uso de técnicas de análise diferencial para determinar as chaves de criptografia - por exemplo, pelo monitoramento da corrente elétrica consumida pelo circuito.

Bibliografia:
Chaogates: Morphing logic gates that exploit dynamical patterns
William L. Ditto, A. Miliotis, K. Murali, Sudeshna Sinha, Mark L. Spano
Chaos
November 2010
Vol.: 20, 037107 (2010)
DOI: 10.1063/1.3489889

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Fiação elétrica funciona como antena para casa inteligente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/10/2010

Fios enrolados ao redor dos sensores servem como antenas de transmissão. A fiação elétrica da residência funciona como antena de recepção, levando os dados até a central de processamento.[Imagem: Gabe Cohn/University of Washington]

A tecnologia logo tornará realidade um antigo ditado popular: as paredes realmente terão ouvidos.

E poderão contar alguns segredos interessantes para os donos da casa: uma janela aberta deixando escapar o ar condicionado, um vazamento de água ainda imperceptível, a mudança brusca de temperatura lá fora, e muitos mais.

Sensações caseiras

Tudo o que uma casa precisa para se tornar uma casa inteligente são "sensações". E essas sensações são produzidas por sensores que fazem medições continuamente.

Em seguida, essas medições precisam ser enviadas a uma central que as processe e gere informações úteis para os moradores ou, principalmente, em gatilhos para o acionamento automático de comodidades, como ligar e desligar o ar-condicionado ou o aquecedor, abrir e fechar cortinas e janelas, acionar o aquecedor elétrico quando o tempo fica nublado, e assim por diante.

Agora, um grupo de pesquisadores norte-americanos criou um novo tipo de sensor que usa a fiação elétrica de uma casa como uma gigantesca antena, capaz de captar as informações dos diversos sensores espalhados pela residência e pelo seu entorno.

A central de monitoramento é também conectada à rede elétrica, de onde retira os sinais dos sensores e faz o seu processamento.

Sensores sem fios

Sensores que monitoram temperatura, umidade, nível de iluminação, qualidade do ar, etc, são equipamentos simples e baratos e que consomem pouquíssima energia para coletar os dados. Mas a energia necessária para transmitir esses dados é muito grande.

"Quando você olha para o sensoriamento doméstico e para a automação residencial em geral, é possível ver que a tecnologia ainda não decolou", afirma o Dr. Shwetak Patel, da Universidade de Washington. "A tecnologia existente ainda consome energia demais e não é tão fácil de implementar como gostaríamos que fosse."

Isto ocorre em grande parte porque os equipamentos sem fios de hoje têm um alcance de apenas alguns metros, e consomem tanta energia que exigem constantes trocas das suas baterias.

A saída encontrada pela equipe do Dr. Patel foi usar a fiação elétrica como uma gigantesca antena, capaz de receber sinais dos sensores sem fios em uma frequência definida.

Enquanto os sistemas sem fios de automação doméstica atuais têm problemas para enviar sinais através das paredes, diminuindo muito sua praticidade, este sistema na verdade opera melhor em torno das paredes, porque é em seu interior que está a antena.

Uma bateria para 50 anos

Cada sensor é dotado de sua própria antena de transmissão, que pode ser tão simples quanto um fio de cobre enrolado ao seu redor.

Como a antena de recepção está efetivamente espalhada por toda a casa, os sensores podem transmitir com potência muito baixa, economizando suas baterias - o sistema opera com menos de 1 por cento da potência de transmissão de dados em comparação com o próximo modelo mais eficiente disponível.

Ainda assim, os sensores têm um alcance que permite sua instalação a até 15 metros da fiação mais próxima.

Consumindo por volta de 1 miliwatt de energia, cada sensor pode funcionar com uma bateria do tipo botão por cerca de 50 anos - provavelmente a bateria terá que ser trocada antes disso, mas porque irá se deteriorar e não por falta de energia.

Tendo atingido níveis tão baixos de energia, os pesquisadores agora querem eliminar de vez as baterias, fazendo os sensores funcionarem com energia solar - a claridade interna da residência é suficiente - ou por geradores piezoelétricos que aproveitem as vibrações do ambiente para gerar energia.

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Dutos de ar-condicionado viram canais de comunicação wireless

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/08/2010

As etiquetas RFID podem ser equipadas com sensores, compondo um conjunto que coleta as informações - como a temperatura, a umidade, a presença de fumaça etc. - e as transmite para um leitor.[Imagem: 3M]

Tecnologias de monitoramento sem fio - com usos que vão desde aplicações voltadas para a saúde e a segurança até os mais óbvios controles de temperatura e umidade do ambiente - podem ser implementadas de forma simples e eficiente usando os dutos de ar-condicionado e ventilação dos edifícios.

A descoberta deverá proporcionar economia de recursos e de tempo para os construtores e para os gestores dos edifícios, já que a tecnologia pode ser implementada em edifícios novos ou já construídos, sem a necessidade de instalação de redes físicas para os sensores.

Sensores RFID

A base da técnica agora desenvolvida são as etiquetas RFID, minúsculos transmissores/receptores de rádio que operam sem baterias, alimentados pela energia transmitida pela antena dos leitores.

As etiquetas RFID podem ser equipadas com sensores, compondo um conjunto que coleta as informações - como a temperatura, a umidade, a presença de fumaça etc. - e as transmite para um leitor.

Os sistemas RFID utilizam leitores centralizados para coletar os dados de um grande número de etiquetas que estejam ao seu alcance. O leitor eletrônico transmite uma onda de rádio com uma frequência específica. Quando uma etiqueta RFID programada para aquela frequência detecta a transmissão, ela absorve energia dessa transmissão, ativa seus circuitos, transmite os dados que coletou e desliga-se novamente, aguardando o próximo chamado do leitor.

Quando instaladas em espaços abertos, as etiquetas RFID de alta frequência (UHF) normalmente precisam estar a uma distância de 5 a 10 metros do leitor, a fim de receberem energia suficiente para responder a uma transmissão.

No entanto, os pesquisadores da Universidade do Estado da Carolina do Norte, nos Estados Unidos, descobriram que se as etiquetas forem instaladas dentro dos dutos de ar-condicionado, elas cobrem facilmente a área típica de um andar de um edifício comercial - um leitor instalado centralmente pode receber dados de etiquetas localizadas a mais de 30 metros em qualquer direção.

Dutos para ondas de rádio

Os dutos de ar-condicionado e ventilação são excelentes canais para as transmissões de rádio porque consistem tipicamente de tubos metálicos ocos. Esses funcionam como guias para as ondas de rádio, evitando sua dispersão e ajudando a manter um sinal forte a uma distância maior.

Além do monitoramento do ambiente dos edifícios, a tecnologia pode ter aplicações importantes para a saúde e para o monitoramento de segurança. "Ela pode funcionar com qualquer coisa para a qual você crie um sensor eletrônico," diz o Dr. Dan Stancil, coautor do trabalho.

A pesquisa está avaliando o funcionamento dos sensores RFID em detectores de fumaça, monitores de monóxido de carbono e sensores que podem detectar substâncias químicas, biológicas e radiológicas.

Retrofitting

"Como você pode instalar [a tecnologia] em infraestruturas já existentes, acho que ela é economicamente viável imediatamente," diz Stancil. "Evitar o trabalho envolvido com a instalação dos sensores tradicionais e com a fiação que eles exigem vai mais do que compensar o custo das etiquetas RFID e dos leitores."

A possibilidade de retrofitting - atualização tecnológica - dos edifícios já construídos deverá transformar a técnica em uma ferramenta importante no arsenal disponível para a criação de edifícios inteligentes - incluindo principalmente a atualização dos edifícios que nasceram burros.

Bibliografia:
Long Range Passive UHF RFID System Using HVAC Ducts
Pavel V. Nikitin, Darmindra D. Arumugam, Matthew J. Chabalko, Benjamin E. Henty, Daniel D. Stancil
Proceedings of the IEEE
September 2010

Fonte: Inovação Tecnológica

 

Ricardo M. Beskow

Neurônios individuais têm poder computacional

 

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/08/2010

Um neurônio do córtex visual de um camundongo recebeu um corante fluorescente para que seus dendritos pudessem ser visualizados. Um laser fez disparos sobre os dendritos para ativar grupos de impulsos em diferentes ordens. A resposta elétrica do neurônio foi diferente para cada sequência de impulsos.[Imagem: Tiago Branco/Hausser Lab: UCL]

As células individuais do cérebro são surpreendentemente eficientes na detecção de diferentes sequências temporais nas informações que chegam até eles.

A descoberta contesta uma noção longamente aceita pelos cientistas de que esse tipo de processamento no cérebro exige grandes números de neurônios trabalhando em conjunto.

Pobres transistores

Apesar de cada vez menos aceita pelos neurocientistas, a comparação do cérebro humano com um computador sempre considerou que os neurônios seriam os transistores - os componentes básicos do cérebro, mas incapazes de qualquer computação quando isolados.

A descoberta contesta essa ideia, mostrando que os neurônios individuais - e até mesmo os dendritos, os pequenos elementos receptores dos neurônios - são dispositivos computacionais excepcionalmente poderosos.

"No dia-a-dia, nós precisamos constantemente usar informações sobre sequências de eventos a fim de entender o mundo ao nosso redor. Por exemplo, na linguagem, uma coleção de diferentes sequências do mesmo conjunto de letras ou sons montados em sentenças somente fazem sentido conforme a ordem em que esses sons ou letras são montados," explica o Dr. Tiago Branco, da Universidade College London, na Inglaterra.

O cérebro humano é particularmente eficiente no processamento de sequências de informações. Por exemplo, cita Branco, os mais modernos computadores têm grande dificuldade de decifrar uma sequência rápida de palavras que uma criança de cinco anos de idade entende perfeitamente.

"Como o cérebro é tão bom em distinguir uma sequência de eventos de outras é algo que não é bem compreendido mas, até agora, a crença geral era de que esse trabalho era feito por um grande número de neurônios trabalhando em conjunto," diz ele. Essa crença agora foi derrubada.

Poder computacional dos neurônios

Estudando o cérebro de um camundongo, os pesquisadores monitoraram os neurônios em áreas do cérebro responsáveis pelo processamento dos impulsos sensoriais dos olhos e da face.

Para verificar como esses neurônios respondiam às variações na ordem em que um determinado conjunto de impulsos era fornecido, os cientistas usaram um laser para ativar os dendritos em padrões precisos, e mediram a resposta elétrica dos neurônios.

Primeiro, um neurônio do córtex visual do camundongo recebeu um corante fluorescente para que seus dendritos pudessem ser visualizados. A seguir, um laser fez disparos minúsculos e superprecisos sobre os dendritos para simular sinapses e ativar grupos de impulsos em diferentes ordens.

Os cientistas descobriram que cada sequência produz uma resposta diferente, mesmo quando o impulso é enviado para um único dendrito.

A resposta elétrica do neurônio foi diferente para cada sequência de impulsos, permitindo a identificação, a partir dessa resposta, dos padrões disparados pelo laser para dendritos individuais, assim como para padrões disparados aleatoriamente pela árvore dendrítica.

Usando modelos teóricos construídos a partir de seus dados, os pesquisadores demonstraram que a probabilidade de que duas sequências diferentes sejam distinguidas uma da outra pelo neurônio individual é incrivelmente alta.

"Esta pesquisa indica que os neurônios individuais são decodificadores de sequências temporais de informações, e que eles podem desempenhar um papel significativo na ordenação e na interpretação da enorme quantidade de impulsos recebidos pelo cérebro," afirma o professor Michael Hausser, coordenador do estudo.

Bibliografia:
Dendritic Discrimination of Temporal Input Sequences in Cortical Neurons
Tiago Branco, Beverley A. Clark, Michael Häusser
Science
12 August 2010
Vol.: Science Express Reports
DOI: 10.1126/science.1189664

Fonte: Inovação Tecnológica

Ricardo M. Beskow

Memória de plástico usa spin do elétron para guardar dados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/08/2010

A "memória spintrônica orgânica" é uma ponte entre os computadores atuais e uma sonhada geração de computadores e telas leves e flexíveis, feitos com materiais plásticos. [Imagem: Yoo et al./Nature Materials]

Fazendo uma ponte entre a spintrônica e a eletrônica orgânica, cientistas criaram a primeira memória de computador feita de um material plástico e que utiliza o spin dos elétrons para guardar os dados.

Considerada como uma alternativa promissora à microeletrônica atual, aspintrônica permite armazenar mais dados em menos espaço, processar esses dados mais rapidamente e consumir muito menos energia, virtualmente eliminando o problema do aquecimento dos computadores.

Já a eletrônica orgânica, que usa materiais poliméricos, ou plásticos, já fez sua estreia no mercado na forma telas para celulares, mas deverá fazer muito mais, provavelmente tornando-se a base das telas flexíveis e de enrolar e dos circuitos eletrônicos dobráveis.

Funcionamento da memória spintrônica

Arthur Epstein e seus colegas da Universidade do Estado de Ohio, nos Estados Unidos, descrevem o material usado para construir a nova memória como um híbrido de um semicondutor feito de materiais orgânicos e um polímero semicondutor magnético.

O protótipo é formado por uma fina tira de um ímã orgânico colocada sobre outra tira de um ferromagneto metálico, sendo ambas ligadas a dois conectores elétricos.

O polímero magnético semicondutor é o vanádio tetracianoetanido, o primeiro magneto de base orgânica a funcionar acima da temperatura ambiente.

Os elétrons passam para o polímero e um campo magnético os orienta como spin para cima ou spin para baixo. Os elétrons podem então passar para a camada magnética convencional, mas somente se os spins dos elétrons estiverem com a mesma orientação. Se não, a resistência é muito alta para que eles passem. Assim, os pesquisadores puderam ler os dados de sua memória de spins baseado em se a resistência era alta ou baixa.

Memória spintrônica orgânica

"Nossa maior conquista é que nós usamos este ímã semicondutor à base de polímeros como um polarizador de spin - o que significa que podemos salvar os dados nele usando um pequeno campo magnético - e como um detector de spin - ou seja, podemos ler os dados de volta," explica Epstein. "Agora estamos mais perto de construir um dispositivo feito inteiramente de material orgânico."

A "memória spintrônica orgânica" é uma ponte entre os computadores atuais - eletrônicos (com base no elétron) e feitos de semicondutores - e uma sonhada geração de computadores orgânicos - spintrônicos (com base no spin do elétron) e feitos com materiais poliméricos (ou plásticos).

Alterar o spin de um elétron requer muito pouca energia e praticamente não produz calor. Isso significa que os dispositivos spintrônicos aquecerão menos e poderão funcionar com baterias menores dos que as usadas nos aparelhos atuais. E, sendo inteiramente de plástico, têm o potencial para serem leves e flexíveis.

Sendo uma pesquisa de fronteira, a nova memória atualmente ainda é uma prova de conceito, não estando pronta para ser inserida em computadores reais.

Bibliografia:
Spin injection/detection using an organic-based magnetic semiconductor
Jung-Woo Yoo, Chia-Yi Chen, H. W. Jang, C. W. Bark, V. N. Prigodin, C. B. Eom, A. J. Epstein
Nature Materials
August 2010
Vol.: 9 No 8 pp 638 - 642
DOI: 10.1038/nmat2797

Fonte: Inovação Tecnologica

Ricardo M. Beskow