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9 Avr, 2024

Des circuits liquides permettront-ils de créer des ordinateurs à imitation cérébrale ?

Des circuits liquides permettront-ils de créer des ordinateurs à imitation cérébrale ?

Les circuits liquides permettront-ils de créer des ordinateurs à imitation cérébrale ? De nouvelles micropuces font circuler les ions comme les synapses du cerveau humain.

Une nouvelle étude révèle que les circuits liquides qui imitent les synapses du cerveau peuvent, pour la première fois, effectuer le type d’opérations logiques qui sous-tendent les ordinateurs modernes. Les applications à court terme de ces dispositifs pourraient inclure des tâches telles que la reconnaissance d’images, ainsi que les types de calculs qui sous-tendent la plupart des systèmes d’intelligence artificielle.

De même que les neurones biologiques calculent et stockent des données, la technologie neuromorphique imitant le cerveau combine souvent les deux opérations. Ces dispositifs peuvent réduire considérablement l’énergie et le temps perdus dans les micropuces conventionnelles qui font la navette entre les processeurs et la mémoire. Ils pourraient également s’avérer idéaux pour la mise en œuvre de réseaux neuronaux, des systèmes d’intelligence artificielle de plus en plus utilisés dans des applications telles que l’analyse de scanners médicaux et le contrôle de véhicules autonomes.

« Le cerveau humain ne fonctionne qu’à 20 watts, ce qui est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des ordinateurs capables d’effectuer des tâches complexes habituellement accomplies par des personnes.

-THÉO EMMERICH, INSTITUT FÉDÉRAL SUISSE DE TECHNOLOGIE DE LAUSANNE, SUISSE

L’une des stratégies de développement des ordinateurs neuromorphiques fait appel aux memristors, ou résistances mémorielles. Les memristors et autres dispositifs similaires sont essentiellement des interrupteurs capables de se souvenir de l’état électrique dans lequel ils ont basculé après avoir été mis hors tension. En tant que tels, les dispositifs mémoires ressemblent aux synapses qui relient les neurones, dont la conductivité électrique se renforce ou s’affaiblit en fonction d’un certain nombre de facteurs biophysiques, notamment la quantité de charge électrique qui les a traversés dans le passé.

Les memristors conventionnels, comme les ordinateurs ordinaires, fonctionnent en déplaçant des électrons. Dans cette nouvelle étude, des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, ont expérimenté des dispositifs mémoires fluidiques qui s’appuient sur le déplacement d’ions pour imiter plus fidèlement le fonctionnement du cerveau.

L’un des principaux avantages de l’utilisation d’ions au lieu d’électrons pourrait être l’extrême efficacité énergétique. « Le cerveau humain ne fonctionne qu’à 20 watts, ce qui est de loin inférieur aux ordinateurs capables d’effectuer des tâches complexes habituellement réalisées par des personnes », explique Théo Emmerich, chercheur postdoctoral à l’EPFL.

De plus, selon Yunfei Teng, assistant doctorant à Lausanne, les réseaux neuronaux du cerveau contiennent « de nombreux types d’ions différents, avec des charges et des propriétés chimiques différentes ». Pour n’en citer que quatre, le potassium, le sodium, le magnésium et le calcium sont essentiels à la capacité de traitement de l’information du cerveau. Les memristors fluidiques pourraient de la même manière manipuler plusieurs types d’ions afin d’élargir les capacités électroniques d’un circuit.

Comment fabriquer un réseau neuronal liquide

Dans la nouvelle étude, les scientifiques sont partis d’une puce de silicium au centre de laquelle se trouvait une membrane carrée de nitrure de silicium. Au centre de cette membrane se trouvait un pore circulaire unique d’environ 100 nanomètres de large.

Les chercheurs ont ensuite ajouté des couches de palladium et de graphite sur la puce. À l’intérieur de la couche de palladium se trouvait un réseau de canaux de quelques nanomètres de large. Une solution aqueuse chargée d’ions potassium a ensuite été introduite dans la puce.

« À long terme, notre objectif est de construire des ordinateurs qui fonctionnent avec des électrolytes liquides, comme le font les organismes vivants.

-ALEKSANDRA RADENOVIC, INSTITUT FÉDÉRAL SUISSE DE TECHNOLOGIE DE LAUSANNE, SUISSE

Lorsqu’une tension positive est appliquée à la puce, les ions s’écoulent vers le pore, où leur pression crée une cloque entre la surface de la puce et la couche de graphite. Lorsque l’ampoule a poussé le graphite vers le haut, le dispositif est devenu plus conducteur, faisant passer sa mémoire à l’état « actif ». Comme le graphite restait soulevé même en l’absence de courant, la puce se souvenait essentiellement de cet état. Une tension négative pouvait ramener les couches de la puce l’une vers l’autre, réinitialisant le dispositif à son état « éteint ».

Les scientifiques ont pu connecter deux de ces puces pour former une porte logique – un circuit qui peut mettre en œuvre des opérations logiques telles que ET, OU et NON. Ils notent qu’ils peuvent construire n’importe quelle autre porte logique classique couramment utilisée en informatique numérique à l’aide de leur porte logique. C’est la première fois que plusieurs memristors fluidiques sont connectés pour former un circuit.

Auparavant, les scientifiques avaient développé des memristors fluidiques basés sur de minuscules seringues ou des fentes microscopiques. Toutefois, ces dispositifs étaient trop encombrants et trop complexes pour être transposés à des systèmes plus importants. En revanche, les nouvelles micropuces sont compactes et évolutives, explique M. Emmerich.

Les scientifiques notent un inconvénient à leur approche : Il faut actuellement environ deux secondes pour régler ou réinitialiser chaque dispositif. En comparaison, les dispositifs mémoires à l’état solide commutent à des échelles de temps de l’ordre de la microseconde. Ils ajoutent qu’il est encore possible d’améliorer les performances de leur dispositif, par exemple en optimisant la taille et la rigidité de la membrane, ou en modifiant la charge de surface et les propriétés d’adhérence des matériaux de la puce.

Dans les cinq à dix prochaines années, les chercheurs pourraient utiliser leur dispositif pour « construire de petits réseaux neuronaux nanofluidiques », explique Nathan Ronceray, assistant doctorant à l’EPFL. Ces systèmes informatiques liquides primitifs pourraient exécuter des tâches simples telles que la reconnaissance d’images. Ils pourraient également effectuer des calculs de multiplication matricielle, qui sont essentiels à de nombreuses tâches informatiques, y compris le fonctionnement des réseaux neuronaux. »

« À long terme, notre objectif est de construire des ordinateurs qui fonctionnent avec des électrolytes liquides, comme le font les organismes vivants, et qui seront capables d’accomplir les mêmes tâches que leurs homologues à base d’électrons », explique Aleksandra Radenovic, professeur d’ingénierie des sciences de la vie à l’EPFL.

Les scientifiques ont détaillé leurs résultats ce mois-ci dans la revue Nature Electronics.

https://spectrum.ieee.org/neuromorphic-computing-liquid-memristor

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01137-9

https://actu.epfl.ch/news/artificial-nanofluidic-synapses-can-store-comput-4