L’avenir de l’informatique : entre transistors ambi-polaires et neurones artificiels

L’explosion technologique des dernières années a engendré une croissance exponentielle des besoins informatiques mondiaux. La communauté scientifique s’efforce d’améliorer les capacités de traitement actuelles tout en développant de nouvelles méthodes de calcul pour répondre à ce besoin crucial.

Les travaux de recherche menés par le groupe de Jean Anne Incorvia, professeur à la Cockrell School of Engineering’s Chandra Family of Electrical and Computer Engineering, sont une illustration parfaite de cette démarche.

Deux nouvelles publications du groupe de recherche visent à apporter des contributions significatives à la fois aux besoins scientifiques actuels et futurs. Ils proposent des améliorations pour la technologie semi-conductrice actuelle tout en fournissant des éléments de construction plus agiles pour la prochaine génération d’ordinateurs imitant le fonctionnement du cerveau humain.

« Nous sommes à l’aube d’une nouvelle génération d’ordinateurs qui imitent la façon dont notre cerveau fonctionne, une entreprise de recherche considérable« , a déclaré Jean Anne Incorvia. « En parallèle, les techniques informatiques que nous utilisons aujourd’hui ne disparaîtront pas, il est donc important de continuer à améliorer et à innover les dispositifs qui alimentent notre technologie actuelle. »

Le problème logique des transistors et des circuits

Une nouvelle étude publiée dans ACS Nano traite des transistors et des circuits. Les composants appelés portes logiques qui interprètent les signaux numériques sont intégrés aux puces. Les portes logiques sont des transistors qui peuvent généralement conduire soit des électrons, soit des trous (qui se produisent lorsque les électrons se déplacent à l’intérieur des atomes), mais pas les deux. Dans cette étude, les chercheurs ont relié des portes logiques capables de conduire à la fois des électrons et des trous.

Ils démontrent que cette réalisation réduit le nombre de transistors nécessaires dans un circuit. Cela signifie qu’un plus grand nombre de transistors pourraient être regroupés dans le même espace, rendant le dispositif plus efficace et puissant, ou que l’espace économisé pourrait être utilisé pour réduire la taille du dispositif. Ils démontrent également un nouveau circuit qui exploite spécifiquement le comportement du transistor.

Des matériaux ultra-minces pour des transistors ambi-polaires

Les transistors sont constitués de matériaux bidimensionnels ultra-minces, qui ont cette propriété « ambi-polaire » naturelle qui leur permet de conduire à la fois des trous et des électrons. Cependant, ils ne le faisaient pas très bien par eux-mêmes. L’amélioration de cette capacité est une composante majeure de ce document, et grâce à leur ingénierie de dispositifs, ils montrent d’importantes portes XOR, NOR, et NAND sans avoir besoin d’autres dispositifs que les transistors ambi-polaires. Ces circuits sont les éléments de base des circuits plus larges.

« Lorsque nous pensons à l’avenir de l’informatique, si nous pouvons exploiter le comportement naturel de ces matériaux 2D et les mettre à l’échelle, nous pourrions réduire de moitié le nombre de transistors dont nous avons besoin dans nos circuits« , a commenté Jean Anne Incorvia.

Les neurones artificiels résistent au bruit

Un deuxième document récemment publié dans Applied Physics Letters se penche sur la prochaine génération d’ordinateurs, ceux qui pensent plus comme le cerveau humain. Ces dispositifs neuromorphiques sont meilleurs que les ordinateurs traditionnels pour des tâches d’IA telles que l’interprétation d’images et le traitement du langage.

Dans ce nouveau document, les chercheurs ont créé un nouveau type de neurone artificiel – qui dans le cerveau humain sont responsables de l’envoi d’informations entre les cellules cérébrales – en utilisant des matériaux magnétiques. Ce qui distingue ces dispositifs de neurones, c’est la nature chaotique de leurs réactions aux impulsions électriques.

Ils ont surpassé d’autres neurones artificiels en tant que partie des réseaux neuronaux pour interpréter des images, en particulier lorsque les données à interpréter étaient bruitées. Les dispositifs se sont mieux comportés que d’autres neurones artificiels pour identifier des images de chaussures floues, et l’écart s’est creusé à mesure que les images devenaient plus floues.

Les implications pour l’informatique de bord

Ces neurones pourraient avoir un impact significatif pour les utilisations de « l’informatique de bord », où les dispositifs doivent être plus petits, consommer moins d’énergie et être éloignés d’une source de calcul centralisée comme un serveur cloud. Ils sont également résistants aux radiations.

Une des premières applications de cette technologie pourrait se faire dans l’espace, où les puces en silicium peinent à résister à un niveau élevé de radiations. La capacité à gérer les radiations ainsi que les données désordonnées pourrait rendre ces neurones idéaux pour la technologie spatiale future.

En synthèse

Les avancées scientifiques dans le domaine de l’informatique sont de plus en plus prometteuses, offrant à la fois des améliorations pour la technologie existante et de nouvelles perspectives pour la prochaine génération de systèmes informatiques. Les recherches récentes menées par le groupe de Jean Anne Incorvia sont un exemple remarquable de cette évolution, en proposant des transistors plus efficaces et en développant de nouveaux types de neurones artificiels.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un transistor ambi-polaire ?

Un transistor ambi-polaire est un dispositif qui peut conduire à la fois des électrons et des trous, une propriété généralement absente des transistors classiques. Cette capacité peut permettre de construire des circuits plus efficaces et compacts.

Qu’est-ce qu’un neurone artificiel ?

Un neurone artificiel est un dispositif électronique conçu pour imiter la fonction des neurones dans le cerveau humain. Ils sont couramment utilisés dans les réseaux de neurones artificiels pour le traitement de l’information.

Qu’est-ce que l’informatique de bord ?

L’informatique de bord est une approche qui vise à traiter les données au plus près de la source où elles sont générées, plutôt que de les envoyer à un serveur centralisé distant. Cela peut réduire la latence et améliorer la performance des systèmes informatiques.

Qu’est-ce que la résistance aux radiations ?

La résistance aux radiations se réfère à la capacité d’un dispositif électronique à fonctionner normalement dans des environnements exposés à des niveaux élevés de radiations, comme l’espace. Les dispositifs résistants aux radiations sont essentiels pour les technologies spatiales et certaines applications militaires.

La recherche menée dans le cadre des Applied Physics Letters a été financée par des subventions de la National Science Foundation. L’équipe d’Incorvia sur ce projet est composée de Thomas Leonard, Samuel Liu et Harrison Jin, tous ingénieurs en électricité et en informatique.