TECH: Un nouveau type de circuit aqueux inspiré de la biologie pourrait révolutionner l’informatique

L'avenir de l'informatique des réseaux neuronaux pourrait être un peu plus sombre que prévu

L’avenir de l’in­for­ma­tique des réseaux neu­ronaux pour­rait être un peu plus som­bre que prévu.

Une équipe de physi­ciens a réus­si à met­tre au point un “cir­cuit ion­ique” de processeur qui utilise le mou­ve­ment des atom­es et des molécules chargés dans les solu­tions aque­uses plutôt que les élec­trons dans les semi-con­duc­teurs à l’é­tat solide.

Selon eux, ce dis­posi­tif pour­rait être la prochaine étape d’une infor­ma­tique sem­blable à celle du cerveau, car cette forme est plus proche de la façon dont le cerveau com­mu­nique l’information.

Dans un nou­v­el arti­cle, une équipe dirigée par le physi­cien Woo-Bin Jung de la John A. Paul­son School of Engi­neer­ing and Applied Sci­ences (SEAS) de l’u­ni­ver­sité de Har­vard déclare : “Les cir­cuits ion­iques en solu­tion aque­use utilisent les ions comme por­teurs de charge pour le traite­ment des sig­naux. C’est ce que je vise”, a‑t-il déclaré.

“Nous rap­por­tons ici un cir­cuit ion­ique en solu­tion aque­use… La démon­stra­tion d’un cir­cuit ion­ique fonc­tion­nel capa­ble de faire du cal­cul analogique est une étape vers des cir­cuits ion­iques aque­ux plus avancés.”

Le mou­ve­ment de molécules chargées, appelées ions, dans des milieux liq­uides est essen­tiel à la sig­nal­i­sa­tion dans le cerveau. Il est extrême­ment dif­fi­cile de repro­duire l’in­croy­able puis­sance de traite­ment du cerveau, mais les sci­en­tifiques se sont demandé si un sys­tème sim­i­laire con­sis­tant à pouss­er des ions dans une solu­tion aque­use pou­vait être util­isé pour le calcul.

Dans ce cas, il sera plus lent que l’in­for­ma­tique tra­di­tion­nelle basée sur le sili­ci­um, mais il pour­rait présen­ter des avan­tages intéressants.

Par exem­ple, les ions peu­vent être fab­riqués à par­tir de dif­férentes molécules, cha­cune ayant des pro­priétés dif­férentes et pou­vant être util­isée de dif­férentes manières.

Mais avant cela, les sci­en­tifiques doivent prou­ver que cela fonctionne.

C’est ce à quoi Jung et d’autres ont tra­vail­lé. Tout d’abord, il a conçu le fonc­tion­nement du tran­sis­tor ion­ique, un dis­posi­tif qui com­mute les sig­naux et four­nit de l’én­ergie. Récem­ment, il a réus­si à com­bin­er des cen­taines de ces tran­sis­tors pour qu’ils fonc­tion­nent comme un cir­cuit ionique.

Un tran­sis­tor est con­sti­tué d’une petite élec­trode en forme de disque au cen­tre, entourée de deux élec­trodes con­cen­triques en forme d’an­neau, ce que l’on appelle une dis­po­si­tion d’élec­trodes en “œil de bœuf”. Il inter­ag­it avec des solu­tions aque­uses de molécules de quinone.

L’ap­pli­ca­tion d’une ten­sion au disque cen­tral génère un courant d’ions hydrogène dans la solu­tion de quinone. Pen­dant ce temps, deux élec­trodes annu­laires ajus­tent le pH de la solu­tion de déclenche­ment pour aug­menter ou dimin­uer le courant ionique.

Ce tran­sis­tor effectue une mul­ti­pli­ca­tion physique de la ten­sion du disque avec un paramètre de “poids” fixé à la grille de la paire d’an­neaux pour pro­duire une réponse telle que le courant ionique.

Cepen­dant, les réseaux neu­ronaux reposent en grande par­tie sur une opéra­tion math­é­ma­tique appelée “mul­ti­pli­ca­tion matricielle” pour effectuer des mul­ti­pli­ca­tions multiples.

Par con­séquent, l’équipe de recherche a dis­posé des tran­sis­tors 16 × 16 et les a conçus de manière à ce qu’ils puis­sent effectuer une mul­ti­pli­ca­tion arith­mé­tique, et a créé un cir­cuit ion­ique capa­ble d’ef­fectuer une mul­ti­pli­ca­tion matricielle.

“Dans les réseaux neu­ronaux d’in­tel­li­gence arti­fi­cielle, la mul­ti­pli­ca­tion matricielle est le cal­cul le plus courant”, explique M. Jung. “Notre cir­cuit ion­ique effectue la mul­ti­pli­ca­tion matricielle dans l’eau d’une manière ana­logue qui repose entière­ment sur la mécanique électrochimique.”

Bien sûr, cette tech­nique présente d’im­por­tantes lim­ites. Comme les 16 courants ne peu­vent pas être réso­lus séparé­ment, les opéra­tions ont dû être effec­tuées séquen­tielle­ment plutôt que simul­tané­ment, ce qui a con­sid­érable­ment ralen­ti la tech­nolo­gie déjà lente.

Mais son suc­cès est un pas vers un cal­cul ion­ique plus avancé. Ce n’est qu’en exam­i­nant le prob­lème que l’on peut trou­ver la solution.

La prochaine étape con­siste à intro­duire un plus large éven­tail de molécules dans le sys­tème et à voir si le cir­cuit peut traiter des infor­ma­tions plus complexes.

“Jusqu’à présent, nous n’avons util­isé que trois ou qua­tre espèces ion­iques, telles que les ions hydrogène et les ions quinone, pour per­me­t­tre le déclenche­ment et le trans­port des ions dans les tran­sis­tors ion­iques aque­ux”, explique M. Jung.

“Il sera très intéres­sant de voir com­ment nous pou­vons pren­dre des espèces ion­iques plus divers­es et les utilis­er pour enrichir le con­tenu de l’in­for­ma­tion à traiter.”

L’ob­jec­tif ultime, selon les chercheurs, n’est pas de con­cur­rencer ou de rem­plac­er l’élec­tron­ique, mais de la com­pléter, peut-être sous la forme d’une tech­nolo­gie hybride qui fait les deux.

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