La biologie inspire un nouveau type de circuit à base d’eau qui pourrait transformer l’informatique
L’avenir de l’informatique des réseaux neuronaux pourrait être un peu plus humide que prévu.
Le circuit ionique, avec le réseau de transistors au centre. (Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)
Une équipe de physiciens a réussi à mettre au point un circuit ionique – un processeur basé sur les mouvements d’atomes et de molécules chargés dans une solution aqueuse, plutôt que sur des électrons dans un semi-conducteur solide.
Comme cette méthode est plus proche de la façon dont le cerveau transporte l’information, leur dispositif pourrait constituer la prochaine étape vers une informatique semblable à celle du cerveau.
“Les circuits ioniques en solution aqueuse cherchent à utiliser les ions comme porteurs de charge pour le traitement des signaux”, écrit l’équipe dirigée par le physicien Woo-Bin Jung de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) dans un nouvel article.
“Ici, nous faisons état d’un circuit ionique aqueux… Cette démonstration du circuit ionique fonctionnel capable d’effectuer des calculs analogiques est une étape vers une ionique aqueuse plus sophistiquée.”
Une partie importante de la transmission des signaux dans le cerveau est le mouvement de molécules chargées appelées ions dans un milieu liquide. Bien que l’incroyable puissance de traitement du cerveau soit extrêmement difficile à reproduire, les scientifiques ont pensé qu’un système similaire pourrait être utilisé pour l’informatique : pousser des ions dans une solution aqueuse.
Ce système serait plus lent que l’informatique classique, basée sur le silicium, mais il pourrait présenter des avantages intéressants.
Par exemple, les ions peuvent être créés à partir d’un large éventail de molécules, chacune ayant des propriétés différentes qui pourraient être exploitées de différentes manières.
Mais d’abord, les scientifiques doivent montrer que cela peut fonctionner.
C’est ce à quoi Jung et ses collègues se sont attelés. La première étape a consisté à concevoir un transistor ionique fonctionnel, un dispositif qui commute ou amplifie un signal. Leur dernière avancée a consisté à combiner des centaines de ces transistors pour qu’ils fonctionnent ensemble comme un circuit ionique.
Le transistor consiste en un agencement d’électrodes en forme de “cible”, avec une petite électrode en forme de disque au centre et deux électrodes en anneau concentrique autour. Cet ensemble s’interface avec une solution aqueuse de molécules de quinone.
Une tension appliquée au disque central génère un courant d’ions hydrogène dans la solution de quinone. Pendant ce temps, les deux électrodes annulaires modulent le pH de la solution à la porte, augmentant ou diminuant le courant ionique.
La puce (à gauche), avec un réseau au centre (au milieu) composé de centaines de transistors (à droite). (Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)
Ce transistor effectue une multiplication physique d’un paramètre de “poids” défini par la paire d’anneaux se synchronisant avec la tension du disque, produisant une réponse sous forme de courant ionique.
Cependant, les réseaux neuronaux reposent en grande partie sur une opération mathématique appelée multiplication matricielle, qui implique de multiples multiplications.
L’équipe a donc conçu des réseaux 16 par 16 de leurs transistors, chacun étant capable d’effectuer une multiplication arithmétique, afin de produire un circuit ionique capable d’effectuer une multiplication matricielle.
“La multiplication matricielle est le calcul le plus répandu dans les réseaux neuronaux pour l’intelligence artificielle”, explique M. Jung. “Notre circuit ionique effectue la multiplication matricielle dans l’eau d’une manière analogique qui repose entièrement sur la machinerie électrochimique.”
Cette technologie présente, bien sûr, des limites importantes. Les 16 courants ne peuvent être résolus séparément, ce qui signifie que l’opération a dû être effectuée de manière séquentielle plutôt que simultanée, ce qui a considérablement ralenti une technologie déjà relativement lente.
Cependant, son succès est un pas vers un calcul ionique plus sophistiqué : ce n’est qu’en voyant le problème que l’on peut trouver des solutions.
La prochaine étape consistera à introduire un plus large éventail de molécules dans le système pour voir si cela permet au circuit de traiter des informations plus complexes.
“Jusqu’à présent, nous n’avons utilisé que 3 ou 4 espèces ioniques, comme les ions hydrogène et quinone, pour permettre le déclenchement et le transport ionique dans le transistor ionique aqueux”, explique M. Jung.
“Il sera très intéressant d’employer des espèces ioniques plus diverses et de voir comment nous pouvons les exploiter pour enrichir le contenu des informations à traiter.”
L’objectif final, note l’équipe, n’est pas de concurrencer ou de remplacer l’électronique par l’ionique, mais de la compléter, peut-être sous la forme d’une technologie hybride avec les capacités des deux.
La recherche a été publiée dans Advanced Materials.
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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche
