(ilustração copiada do PhysOrg)Photonic neuron may compute a billion times faster than brain circuits
Neurônios fotônicos podem computar um bilhão de vezes mais rápido do que os circuitos cerebrais
July 19, 2011 by Chris Emery
(PhysOrg.com) - O nome do projeto - "neurônio fotônico" - já era bastante atraente, mas o que realmente chamou a atenção de Mitchell Nahmias foi a oportunidade de combinar seu interesse em engenharia e em neurociência.
Nahmias é um dos sete alunos de graduação de Princeton a participar no projeto colaborativo de pesquisa entre a universidade e a Lockheed Martin, a empresa de tecnologia aeroespacial e de defesa, para produzir dispositivos computacionais baseados em fibra ótica que funcionam de modo similar aos neurônios, mas são um bilhão de vezes mais rápidos.
"Sou aluno de graduação de engenharia elétrica, mas gosto muito de biologia e de ciência cognitiva", disse Nahmais, que se forma em 2012. "Este é um projeto legal, uma confluência realmente interessante de um monte de campos".
Se o projeto tiver sucesso, a nova tecnologia pode tornar possíveis circuitos de computador capazes de fazer cálculos quase instantâneos em situações de vida ou morte, como localizar um terrorista através de um sinal de rádio ou decidir se o piloto de um jato deve ser ejetado. Ela também poderia permitir o rápido processamento de enormes quantidades de dados, como os sinais de vídeo que hoje em dia guiam os movimentos de carros robotizados ou de cadeias de dados genéticos à procura de indícios para o combate de doenças.
A pesquisa é liderada por Paul Prucnal, professor de Princeton de engenharia elétrica, e por David Rosenbluth, neurocientista e principal engenheiro do Advanced Technology Laboratory, da Lockheed, em Cherry Hill, N.J. Ela é financiada pela Lockheed Martin e pelos fundos Stuart M. Essig '83 e Erin S. Enright '82 para a inovação em engenharia e neurociência, de Princeton.
O projeto, que começou em 2008, procura superar os limites inerentes de velocidade dos circuitos elétricos, que são em última instância circunscritos pelo tempo que a eletricidade leva para fluir através dos cabos. Ao invés de fios elétricos, a equipe está usando cabos transparentes de fibra ótica, através dos quais a informação viaja quase à velocidade da luz. A parte "fotônica" do nome do projeto deriva-se dos fótons, que são a unidade fundamental da luz, assim como os elétrons são a unidade fundamental da eletricidade. Em comunicações convencionais através de fibras óticas, os fótos aceleram as informações ao longo de grandes distâncias, mas são convertidos novamente em elétrons uma vez que alcancem seu destino, e a informação precisa ser processada. No laboratório de Prucnal, o processamento ocorre enquanto a informação está sendo codificada em luz.
Além de controlar utilizar a velocidade da luz, os pesquisadores estão utilizando conceitos computacionais usados pelos circuitos neurais que ajudam os seres humanos e outros organismos a tomar decisões ultra-rápidas.
Cada neurônio, seja no cérebro ou nos circuitos periféricos do sistema nervoso, está conectado a outros neurõnios, que se comunicam através de pulsos eletroquímicos conhecidos como "action potentials" (potenciais de ação) ou, coloquialmente, "spikes" (disparos). Com base no padrão dos disparos que chegam, um neurônio decide se envia seu próprio sinal para transportar informações para o restante da rede. Esta função é a base da computação neural.
A capacidade de tomar decisões rapidamente é bem-vinda em muitas situações. Uma gazela, ao ser perseguida por uma cheetah, por exemplo, tem que decidir com extrema rapidez - e corretamente - se corre para a esquerda ou para a direita. Um jogador de baseball, no bastão (um rebatedor), tem que decidir se tenta ou não tenta o o rebote com base em diversos indícios que chegam a ele uma fração de segundo antes da decisão ter que ser tomada.
A maneira como as redes neurais computam em situações de vida ou morte oferece indícios de como dispositivos computacionais baseados na luz poderiam funcionar. "Estamos transpondo aprendizagem, inibição e outros comportamentos típicos do processamento para circuitos de fibra ótica", disse Rosenbluth. "Mas não acho que isso seja como tentar reproduzir alguma coisa do cérebro. Trata-se de um produto híbrido entre a computação analógica feita no cérebro e os sistemas puramente digitais utilizados pela maioria dos computadores".
Quando Prucnal e Rosenbluth começaram a conversar sobre a possibilidade de misturar o processamento do sinal de fibras óticas com a neurociência, eles notaram que apesar das equações matemáticas usadas para modelar redes neurais e de fibras óticas usarem variáveis diferentes, elas eram muito similares em sua formulação geral.
"Nós colocamos as equações lado a lado, e foi um momento de vislumbre para nós", disse Prucnal. "Era muito animador o fato de que isso poderia mesmo funcionar".
Provided by Princeton University
