Les synapses en graphène font progresser les ordinateurs

Les ordinateurs qui pensent davantage comme des cerveaux humains se rapprochent de l’adoption par le grand public. Mais de nombreuses questions restent sans réponse. L’une des plus urgentes est de savoir quels types de matériaux peuvent constituer les meilleurs éléments de base pour libérer le potentiel de ce nouveau style d’informatique.

Pour la plupart des dispositifs informatiques traditionnels, le silicium reste l’étalon-or. Toutefois, un mouvement se dessine en faveur de l’utilisation de matériaux plus souples, plus efficaces et plus respectueux de l’environnement pour ces appareils semblables à des cerveaux.

Dans un nouvel article (Nature communications), des chercheurs de l’université du Texas à Austin ont indiqué avoir mis au point des transistors synaptiques pour des ordinateurs de type cérébral en utilisant le graphène, un matériau fin et flexible. Ces transistors sont similaires aux synapses du cerveau, qui relient les neurones entre eux.

« Les ordinateurs qui pensent comme des cerveaux peuvent faire tellement plus que les appareils actuels« , a déclaré Jean Anne Incorvia, professeur adjoint au département d’ingénierie électrique et informatique de la Cockrell School of Engineering et auteur principal de l’article publié aujourd’hui dans Nature Communications. « Et en imitant les synapses, nous pouvons apprendre à ces appareils à apprendre à la volée, sans avoir besoin d’énormes méthodes de formation qui consomment beaucoup d’énergie.« 

Une combinaison de graphène et de nafion, un matériau de membrane polymère, constitue l’épine dorsale du transistor synaptique. Ensemble, ces matériaux présentent des comportements clés de type synaptique, notamment la capacité des voies à se renforcer au fil du temps à mesure qu’elles sont utilisées plus souvent, une sorte de mémoire musculaire neuronale. En informatique, cela signifie que les appareils seront capables de s’améliorer dans des tâches telles que la reconnaissance et l’interprétation d’images au fil du temps et de le faire plus rapidement.

Une autre découverte importante est que ces transistors sont biocompatibles, ce qui signifie qu’ils peuvent interagir avec des cellules et des tissus vivants. Il s’agit d’un élément clé pour les applications potentielles dans les dispositifs médicaux qui entrent en contact avec le corps humain. La plupart des matériaux utilisés pour ces premiers dispositifs ressemblant à des cerveaux sont toxiques, de sorte qu’ils ne pourraient en aucun cas entrer en contact avec des cellules vivantes.

Avec les nouveaux concepts de haute technologie comme les voitures à conduite autonome, les drones et les robots, nous atteignons les limites de ce que les puces en silicium peuvent faire efficacement en termes de traitement et de stockage des données. Pour ces technologies de nouvelle génération, un nouveau paradigme informatique est nécessaire. Les dispositifs neuromorphiques imitent les capacités de traitement du cerveau, un ordinateur puissant pour les tâches immersives.

« La biocompatibilité, la flexibilité et la douceur de nos synapses artificielles sont essentielles« , a déclaré Dmitry Kireev, un chercheur post-doctoral qui a codirigé le projet. « À l’avenir, nous envisageons leur intégration directe au cerveau humain, ouvrant ainsi la voie à des prothèses cérébrales futuristes.« 

Cela arrivera-t-il vraiment ? Les plateformes neuromorphiques commencent à devenir plus courantes. Les principaux fabricants de puces, comme Intel et Samsung, ont déjà produit des puces neuromorphes ou sont en train de les développer. Cependant, les matériaux actuels des puces limitent les possibilités des dispositifs neuromorphiques. Les chercheurs universitaires travaillent donc d’arrache-pied pour trouver les matériaux parfaits pour les ordinateurs à cerveau mou.

« L’espace est encore très ouvert en ce qui concerne les matériaux ; la prochaine grande solution à essayer n’a pas encore été déterminée« , a déclaré M. Incorvia. « Et il se peut qu’il n’y ait pas qu’une seule solution, différents matériaux étant plus pertinents pour différentes applications. »

La recherche a été menée par Incorvia et Deji Akinwande, professeur au département de génie électrique et informatique. Les deux hommes ont collaboré à de nombreuses reprises par le passé. Akinwande est un expert de premier plan dans le domaine du graphène, qu’il a utilisé dans de nombreuses percées scientifiques, notamment récemment dans le cadre d’un tatouage électronique portable destiné à surveiller la pression artérielle.

L’idée du projet a été conçue par Samuel Liu, étudiant en doctorat et premier auteur de l’article, dans une classe enseignée par Akinwande. Kireev a ensuite suggéré le projet spécifique. Harrison Jin, étudiant de premier cycle en génie électrique et informatique, a mesuré les dispositifs et analysé les données.

L’équipe a collaboré avec T. Patrick Xiao et Christopher Bennett des Sandia National Laboratories, qui ont effectué des simulations de réseaux neuronaux et analysé les données obtenues.

Illustration : Un transistor qui fonctionne comme les synapses du cerveau. Crédit : Université du Texas à Austin