Un nouveau dispositif fait progresser l’informatique qui imite le cerveau humain

L’informatique neuromorphique est un paradigme de calcul qui imite le fonctionnement du cerveau en termes d’architecture et de dynamique. Elle crée des circuits électroniques qui stockent et traitent l’information de manière intégrée, semblable aux réseaux de neurones et aux synapses.

C’est dans cette optique qu’un réseau international de chercheurs a développé un dispositif électronique, incluant Victor López-Richard, professeur titulaire au Centre des sciences exactes et de la technologie de l’Université fédérale de São Carlos (CCET-UFSCar) au Brésil. Le résultat, publié dans Nature Communications, représente une contribution importante au développement de l’informatique neuromorphique.

Contrairement aux ordinateurs classiques, où le traitement et la mémoire sont séparés, l’informatique neuromorphique cherche à intégrer ces fonctions sur un seul substrat physique, à l’instar des synapses biologiques.

« Le dispositif est basé sur l’interface entre deux oxydes : LaAlO₃ [oxyde d’aluminium et de lanthane] et SrTiO₃ [titanate de strontium]. À cette interface, un gaz d’électrons quasi bidimensionnel se forme et agit comme un canal conducteur pouvant être modulé électriquement. Le résultat est essentiellement un transistor, mais qui peut également fonctionner comme un memristeur et un mémoirecapaciteur », explique Lopez-Richard.

Un transistor contrôle le flux de courant électrique dans un circuit, fonctionnant comme un interrupteur ou un amplificateur. Une résistance s’oppose au passage du courant, et un condensateur stocke la charge électrique pour la libérer ultérieurement. Dans le dispositif développé, ces fonctions sont combinées avec un élément supplémentaire : la mémoire. Ainsi, en plus d’agir comme un transistor, le dispositif peut fonctionner comme un memristeur — une résistance dont la valeur dépend de l’historique des signaux appliqués — et un mémoirecapaciteur — un condensateur dont la capacité dépend également de l’historique du système.

Cette dépendance au passé rapproche ces composants du comportement des synapses. De plus, le dispositif possède une architecture et un mode de fonctionnement inhabituels. « En termes d’architecture, la particularité est qu’il possède des grilles de contrôle sur les côtés au lieu de la configuration traditionnelle avec la grille au-dessus du canal que l’on trouve dans les MOSFET classiques », explique López-Richard.

Un MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) est un type de transistor qui contrôle, amplifie ou commute les signaux électriques. Avec trois bornes principales – la grille, qui commande le dispositif ; la source, par laquelle les électrons entrent ; et le drain, par lequel ils sortent – il fonctionne comme une sorte de « robinet électrique ». La tension appliquée à la grille détermine si un courant peut circuler entre la source et le drain.

Le dispositif en question présente une configuration différente.

En termes de fonctionnement, il s’agit d’un composant analogique dans un monde dominé par le numérique. « Le fonctionnement analogique lui permet de fonctionner dans de multiples états intermédiaires plutôt que seulement deux – allumé ou éteint – comme dans les transistors numériques conventionnels », explique le chercheur.

Un objectif central du travail est d’identifier le mécanisme physique responsable de la mémoire. Bien que le gaz d’électrons bidimensionnel soit crucial pour la conduction, il n’est pas le principal porteur de mémoire. « Ce gaz influence la mémoire, mais la variable d’état qui définit l’effet mémoire est les charges stockées dans les grilles latérales. Elles contrôlent le canal de conduction », explique López-Richard. L’accumulation de charges dans les grilles latérales se produit progressivement et de manière contrôlée, modulant le canal de conduction par des effets électrostatiques. Ce mécanisme diffère de celui souvent attribué aux dispositifs à mémoire, basé sur la migration des lacunes d’oxygène.

L’innovation principale de ce travail est le polymorphisme électronique, c’est-à-dire la capacité d’un seul dispositif à remplir de multiples fonctions. La fonction change uniquement en fonction de la configuration des connexions électriques. « Il suffit de connecter ou de déconnecter un port pour changer de fonction », résume le chercheur. Selon les auteurs, l’intégration des fonctions peut réduire considérablement le nombre d’interconnexions et la consommation d’énergie, qui sont les principaux goulots d’étranglement de l’informatique actuelle.

L’étude a démontré l’efficacité du dispositif dans diverses fonctionnalités inspirées du cerveau, telles que le calcul par réservoir et la capacité de reconnaître des motifs simples, comme les chiffres de 0 à 9 dans des images basse résolution, en exploitant la non-linéarité et la mémoire à court terme. Le dispositif présente également une plasticité synaptique, la capacité de renforcer une réponse de manière temporaire ou permanente suite à des stimuli répétés, comme cela se produit lors de l’apprentissage. De plus, le dispositif possède une logique reconfigurable, qui consiste à effectuer et à stocker des opérations logiques, telles que « et », « ou » et « non », directement au sein du dispositif lui-même sans avoir recours à une mémoire externe. En outre, les analyses indiquent une consommation d’énergie par opération de l’ordre de quelques nanojoules, ce qui est inférieur à celle des architectures conventionnelles équivalentes.

Collaboration de longue date

Malgré cette avancée, les auteurs soulignent que le travail n’en est qu’à ses débuts. « Ce que nous présentons maintenant sont des preuves de concept, dans le cadre de la recherche fondamentale. Pour développer un produit commercial, nous devons surmonter plusieurs défis, tels que la capacité à passer à l’échelle, l’intégration avec les technologies existantes et le contrôle de la variabilité entre les dispositifs », reconnaît Lopez-Richard.

Ce travail est le fruit d’une collaboration scientifique internationale qui se développe depuis plus d’une décennie. « Notre partenariat avec l’Université de Würzburg [Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU] en Allemagne a commencé avec un projet financé par la FAPESP entre 2013 et 2015. Le projet est terminé, mais la collaboration se poursuit », explique López-Richard.

La présente étude a été soutenue par la FAPESP dans le cadre du Projet régulier « Exploiter les effets de la mémoire dans les systèmes nanostructurés et semiconducteurs » et d’une Subvention pour des réunions scientifiques à l’étranger. 

Dans une étude complémentaire publiée dans Applied Physics Letters et sélectionnée comme « article vedette » par les éditeurs, le groupe a approfondi sa compréhension des propriétés de mémoire capacitive de ces systèmes. « Dans ce travail, nous avons combiné des résultats expérimentaux et une modélisation théorique pour démontrer que la mémoirecapacitance analogique est régie par des mécanismes de localisation des charges dans les grilles flottantes latérales, permettant un contrôle précis et réversible des caractéristiques capacitives. Ces résultats sont fondamentaux pour le développement de dispositifs de mémoire à faible consommation et à haute efficacité », explique López-Richard. Ce travail a également été soutenu par la FAPESP. 

Article : « Oxide interface-based polymorphic electronic devices for neuromorphic computing » – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude

Source : FAPESP