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Une plaquette sur laquelle sont gravés les composants d'une plateforme matérielle inspirée du cerveau.

Une plaquette sur laquelle sont gravés les composants d'une plateforme matérielle inspirée du cerveau. (Crédit : David Baillot/École d'ingénierie Jacobs de l'Université de Californie à San Diego)

Un dispositif inspiré du cerveau conduirait à un matériel IA plus rapide et plus économe en énergie

par La rédaction
17 mars 2026
en Intelligence artificielle, Technologie

Une équipe dirigée par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego a développé une nouvelle plateforme matérielle inspirée du cerveau qui pourrait aider le matériel informatique à suivre la croissance explosive de l’intelligence artificielle. En combinant la mémoire et le calcul sur la même puce — et en permettant à ses composants d’interagir collectivement comme des neurones dans le cerveau — la plateforme inspirée du cerveau a amélioré la vitesse, la précision et l’efficacité énergétique de la reconnaissance de formes dans deux tâches simulées : reconnaître des chiffres parlés et détecter précocement des crises d’épilepsie à partir d’enregistrements d’ondes cérébrales.

Cette approche pourrait conduire au développement de matériel compact et économe en énergie pour des systèmes d’IA plus petits, tels que ceux utilisés dans les moniteurs de santé portables, les capteurs intelligents et autres appareils autonomes.

Ces travaux, publiés le 9 mars dans Nature Nanotechnology, s’inscrivent dans le domaine de l’informatique neuromorphique, qui vise à construire des machines imitant la façon dont le cerveau traite l’information. Les chercheurs soulignent que la technologie est inspirée du cerveau, plutôt que similaire au cerveau ; elle puise des idées sur la façon dont les réseaux neuronaux interagissent, mais ne tente pas de reproduire le cerveau lui-même.

Une stratégie clé dans la construction de dispositifs inspirés du cerveau est de combiner la mémoire et le calcul sur le même matériel. Dans la plupart des ordinateurs conventionnels, ces fonctions sont séparées. Cela signifie que les données doivent constamment circuler entre la mémoire et les processeurs. Ce mouvement consomme du temps et de l’énergie et est devenu un goulot d’étranglement majeur à mesure que les modèles d’IA grandissent.

En s’inspirant du cerveau, les chercheurs dirigés par Duygu Kuzum, professeure au département de génie électrique et informatique de la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego, développent de nouvelles architectures informatiques qui stockent et traitent les informations au sein du même système.

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Cependant, un autre goulot d’étranglement persiste. De nombreuses technologies neuromorphiques existantes se concentrent encore sur la modélisation d’éléments individuels du cerveau — tels que les neurones ou synapses artificiels — et les connectent dans des circuits prédéfinis. Mais dans le cerveau, l’apprentissage et le calcul ne proviennent pas de neurones individuels agissant comme des composants isolés, a expliqué Kuzum, auteure principale de l’étude. Au lieu de cela, ils émergent des interactions riches et dynamiques de vastes réseaux de neurones communiquant collectivement dans l’espace et le temps.

Pour mieux capturer ce comportement, Kuzum et ses collaborateurs au Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (Q-MEEN-C) — un Energy Frontier Research Center (EFRC) financé par le département de l’Énergie des États-Unis (DOE) — ont conçu une plateforme de calcul où de nombreux nœuds sont physiquement connectés à travers le même matériau et peuvent s’influencer mutuellement à travers le réseau.

La plateforme est construite à partir d’un nickelate de pérovskite dopé à l’hydrogène appelé nickelate de néodyme, un type de matériau quantique connu pour ses propriétés électroniques inhabituelles.

Lorsque des ions hydrogène sont introduits dans le matériau, ils forment de petits nuages sous les électrodes métalliques structurées sur sa surface. L’application d’impulsions de tension provoque le déplacement des ions hydrogène dans le matériau et modifie sa résistance électrique. Ce mouvement confère au système des propriétés de type mémoire. Chaque nœud peut brièvement retenir des informations sur les signaux récents, tandis que des éléments programmables séparés stockent des informations à plus long terme.

Dans le même temps, tous les nœuds interagissent à travers le substrat partagé sous eux. L’activité à un endroit influence le comportement des autres. Ce substrat partagé ressemble vaguement au fluide ionique entourant les neurones dans le cerveau, où les signaux se propagent et influencent les cellules voisines. En raison de cette connexion, la sortie de n’importe quel nœud dépend de ce que fait le reste du réseau. Si des nœuds voisins reçoivent des signaux, la réponse mesurée change. Cela crée un comportement collectif à travers le système, similaire à la communication entre les régions cérébrales, a expliqué le premier auteur de l’étude, Yue Zhou, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Kuzum à l’UC San Diego.

Une plaquette, sur laquelle sont disposés les composants d'une plateforme matérielle inspirée du cerveau, en cours de préparation pour être examinée sous une station de test
Une plaquette, sur laquelle sont disposés les composants d’une plateforme matérielle inspirée du cerveau, en cours de préparation pour être examinée sous une station de test. (Crédit: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Le dispositif traite les informations en utilisant une stratégie appelée calcul spatiotemporel, qui analyse les signaux à la fois dans le temps et à travers les interactions spatiales à travers le réseau. Les signaux entrants sont d’abord convertis en impulsions électriques et envoyés dans le réseau. Les nœuds en interaction transforment ces signaux en motifs internes complexes qui capturent à la fois l’information temporelle et la dynamique du réseau. Une seconde couche de jonctions programmables lit ensuite ces motifs et effectue des tâches de classification.

Les chercheurs ont démontré l’approche en utilisant deux applications simulées. Dans l’une, le système a reconnu avec une grande précision des chiffres parlés. Dans l’autre, il a détecté des signes précoces de crises d’épilepsie à partir de signaux d’électroencéphalogramme (EEG). Dans les deux cas, le système a surpassé les méthodes reposant uniquement sur un traitement temporel.

Un chiplet découpé dans la plaquette et contenant un ensemble de matrices issues de la couche de traitement spatio-temporel
Un chiplet découpé dans la plaquette et contenant un ensemble de matrices issues de la couche de traitement spatio-temporel. (Crédit: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Dans le test de détection de crises, le système a identifié des signaux d’alerte même avec seulement quelques secondes de données cérébrales. Parce que l’activité d’un nœud influence les autres, les signaux précoces de quelques canaux peuvent se propager à travers le réseau et aider le système à détecter plus tôt les crises.

De plus, le système fonctionne extrêmement rapidement à l’échelle de centaines de nanosecondes et utilise très peu d’énergie, environ 0,2 nanojoules par opération.

Cette efficacité pourrait rendre la technologie utile pour les applications d’IA en périphérie (edge AI), où les petits appareils doivent traiter les données localement avec une puissance limitée au lieu de les envoyer vers de grands centres de données, a noté Kuzum. Les utilisations potentielles incluent les dispositifs médicaux portables, les capteurs intelligents, les systèmes de traitement audio et les machines autonomes.

Vue d'une partie de la plaquette maintenue en place par le poste de test.
Vue d’une partie de la plaquette maintenue en place par le poste de test. (Crédit: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

La technologie en est encore à un stade précoce. Les démonstrations matérielles jusqu’à présent se sont concentrées sur des tâches à petite échelle, tandis que des tâches plus grandes comme la reconnaissance vocale et la détection de crises ont été testées via des simulations basées sur des mesures expérimentales.

Les travaux futurs se concentreront sur la mise à l’échelle du système ; son intégration avec l’électronique semi-conductrice conventionnelle ; et l’exploration d’applications supplémentaires.

Article : Protonic nickelate device networks for spatiotemporal neuromorphic computing – Journal : Nature Nanotechnology – DOI : Lien vers l’étude

Source : UC San Diego

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Tags: calculénergiememoireneuromorphique
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A team led by engineers at the University of California San Diego has developed a new brain-inspired hardware platform that could help computer hardware keep pace with the explosive growth of artificial intelligence. By combining memory and computation on the same chip — and allowing its components to interact collectively like neurons in the brain — the brain-inspired platform improved the speed, accuracy and energy efficiency of pattern recognition in two simulated tasks: recognizing spoken digits and detecting epileptic seizures early from brain-wave recordings.

The approach could lead to the development of compact, energy-efficient hardware for smaller AI systems such as those used in wearable health monitors, smart sensors and other autonomous devices.

The work, published on March 9 in Nature Nanotechnology, falls within the field of neuromorphic computing, which aims to build machines that mimic how the brain processes information. The researchers emphasize that the technology is brain-inspired, rather than brain-like; it draws ideas from how neural networks interact but does not attempt to replicate the brain itself.

One key strategy in building brain-inspired devices is to combine memory and computation on the same piece of hardware. In most conventional computers, these functions are separate. That means data must constantly move back and forth between memory and processors. That movement consumes time and energy and has become a major bottleneck as AI models grow larger.

By taking inspiration from the brain, researchers led by Duygu Kuzum, professor in the Department of Electrical and Computer Engineering at the UC San Diego Jacobs School of Engineering, are developing new computing architectures that store and process information within the same system.

However, another bottleneck remains. Many existing neuromorphic technologies still focus on modeling individual elements of the brain — such as artificial neurons or synapses — and connecting them in predefined circuits. But in the brain, learning and computation do not arise from single neurons acting as isolated components, explained Kuzum, who is the study’s senior author. Instead, they emerge from the rich, dynamic interactions of large networks of neurons collectively communicating across space and time.

To better capture this behavior, Kuzum and collaborators at Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (Q-MEEN-C) — an Energy Frontier Research Center (EFRC) funded by the U.S. Department of Energy (DOE) — designed a computing platform where many nodes are physically connected through the same material and can influence one another across the network.

The platform is built from a hydrogen-doped perovskite nickelate called neodymium nickelate, a type of quantum material known for its unusual electronic properties.

When hydrogen ions are introduced into the material, they form tiny clouds beneath metal electrodes patterned on its surface. Applying voltage pulses causes the hydrogen ions to move within the material and change its electrical resistance. This motion gives the system memory-like properties. Each node can briefly retain information about recent signals, while separate programmable elements store longer-term information.

At the same time, all the nodes interact through the shared substrate beneath them. Activity at one location influences the behavior of others. This shared substrate loosely resembles the ionic fluid surrounding the neurons in the brain, where signals spread and influence nearby cells. Because of this connection, the output from any single node depends on what the rest of the network is doing. If neighboring nodes receive signals, the measured response changes. This creates collective behavior across the system, similar to communication across brain regions, explained study first author Yue Zhou, a postdoctoral researcher in Kuzum’s lab at UC San Diego.

The device processes information using a strategy called spatiotemporal computing, which analyzes signals both over time and through spatial interactions across the network. Incoming signals are first converted into electrical spikes and sent into the network. Interacting nodes transform those signals into complex internal patterns that capture both timing information and network dynamics. A second layer of programmable junctions then reads those patterns and performs classification tasks.

The researchers demonstrated the approach using two simulated applications. In one, the system successfully recognized spoken digits with high accuracy. In another, it detected early signs of epileptic seizures from electroencephalogram (EEG) signals. In both cases, the system outperformed methods that relied only on time-based processing.

In the seizure-detection test, the system identified warning signals even when given only a few seconds of brain data. Because activity in one node influences others, early signals from a few channels can spread across the network and help the system detect seizures sooner.

Further, the system operates extremely quickly — on the scale of hundreds of nanoseconds — and uses very little energy, about 0.2 nanojoules per operation.

That efficiency could make the technology useful for edge AI applications, where small devices must process data locally with limited power instead of sending it to large data centers, Kuzum noted. Potential uses include wearable medical devices, smart sensors, audio processing systems and autonomous machines.

The technology is still at an early stage. Hardware demonstrations so far have focused on small-scale tasks, while larger tasks such as speech recognition and seizure detection were tested through simulations based on experimental measurements.

Future work will focus on scaling up the system; integrating it with conventional semiconductor electronics; and exploring additional applications.

Full study: Protonic nickelate device networks for spatiotemporal neuromorphic computing

This work was made possible by collaborations and funding provided by Q-MEEN-C, an EFRC funded by the U.S. DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences, under Award No. DE-SC0019273. Senior collaborators include study co-authors Ertugrul Cubukcu, professor in the Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering at UC San Diego; Eva Andrei, professor in the Department of Physics and Astronomy at Rutgers University; and Shriram Ramanathan, professor in the Department of Electrical and Computer Engineering at Rutgers University. Q-MEEN-C is directed by Ivan Schuller, distinguished professor of physics at UC San Diego.

Journal

Nature Nanotechnology

DOI

10.1038/s41565-026-02133-0

Article Title

Protonic nickelate device networks for spatiotemporal neuromorphic computing

Article Publication Date

9-Mar-2026

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