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Le matériel informatique imite les fonctions cérébrales

Date :

21 juin 2022

(Actualités Nanowerk) Un nouveau dispositif microélectronique peut programmer et reprogrammer du matériel informatique à la demande grâce à des impulsions électriques. Et si les ordinateurs pouvaient apprendre à reconfigurer leurs circuits lorsqu'on leur présentait de nouvelles informations ? Une équipe multi-institutionnelle, comprenant le laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), a développé un matériau avec lequel des puces informatiques peuvent être conçues pour faire exactement cela. Il le fait en imitant les fonctions du cerveau humain avec des circuits dits «neuromorphes» et une architecture informatique (Les sciences, "Électronique reconfigurable en nickel pérovskite pour l'intelligence artificielle"). L'équipe était dirigée par Shriram Ramanathan, professeur à l'Université Purdue. Les ions hydrogène dans le nickelate permettent l'une des quatre fonctions à différentes tensions (appliquées par des électrodes de platine et d'or en haut). Les fonctions sont la synapse artificielle, le neurone artificiel, le condensateur et la résistance. Le condensateur stocke et libère du courant ; la résistance le bloque. (Image : Laboratoire national d'Argonne) "Le cerveau humain peut réellement changer à la suite de l'apprentissage de nouvelles choses", a déclaré Subramanian Sankaranarayanan, co-auteur d'un article avec une nomination conjointe à Argonne et à l'Université de l'Illinois à Chicago. "Nous avons maintenant créé un dispositif permettant aux machines de reconfigurer leurs circuits à la manière d'un cerveau." Avec cette capacité, intelligence artificielle, les ordinateurs basés sur les ordinateurs pourraient effectuer des tâches complexes plus rapidement et avec plus de précision, avec beaucoup moins d'énergie dépensée. Un exemple est l'interprétation d'images médicales complexes. Un exemple plus futuriste serait les véhicules autonomes et les robots dans l'espace qui pourraient reprogrammer leurs circuits en fonction de l'expérience. Le matériau clé du nouvel appareil est composé de néodyme, de nickel et d'oxygène et est appelé nickelate de pérovskite (NdNiO3). L'équipe a infusé ce matériau avec de l'hydrogène et y a attaché des électrodes qui permettent d'appliquer des impulsions électriques à différentes tensions. "La quantité d'hydrogène dans le nickelate et son emplacement modifient les propriétés électroniques", a déclaré Sankaranarayanan. "Et nous pouvons changer son emplacement et sa concentration avec différentes impulsions électriques." "Ce matériau a une personnalité à plusieurs niveaux", a ajouté Hua Zhou, co-auteur de l'article et physicien d'Argonne. "Il a les deux fonctions habituelles de l'électronique de tous les jours - l'activation et le blocage du courant électrique ainsi que le stockage et la libération de l'électricité. Ce qui est vraiment nouveau et frappant, c'est l'ajout de deux fonctions similaires au comportement séparé des synapses et des neurones dans le cerveau. Un neurone est une cellule nerveuse unique qui se connecte à d'autres cellules nerveuses via des synapses. Les neurones initient la détection du monde extérieur. Pour sa contribution, l'équipe Argonne a réalisé une caractérisation informatique et expérimentale de ce qui se passe dans le dispositif au nickelate sous différentes tensions. À cette fin, ils se sont appuyés sur les installations des utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne : la source avancée de photons, l'installation de calcul de leadership d'Argonne et le centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique. Les résultats expérimentaux ont démontré que la simple modification de la tension contrôle le mouvement des ions hydrogène dans le nickelate. Une certaine tension concentre l'hydrogène au centre du nickelate, engendrant un comportement semblable à celui des neurones. Une tension différente transporte cet hydrogène hors du centre, produisant un comportement semblable à celui d'une synapse. À des tensions encore différentes, les emplacements et la concentration résultants de l'hydrogène suscitent les courants marche-arrêt des puces informatiques. "Nos calculs révélant ce mécanisme à l'échelle atomique étaient super intensifs", a déclaré la scientifique d'Argonne Sukriti Manna. L'équipe s'est appuyée sur la puissance de calcul non seulement de l'Argonne Leadership Computing Facility, mais également du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory. La confirmation du mécanisme est venue, en partie, d'expériences sur la ligne de lumière 33-ID-D de l'Advanced Photon Source. "Au fil des ans, nous avons eu un partenariat très productif avec le groupe Purdue", a déclaré Zhou. "Ici, l'équipe a déterminé exactement comment les atomes s'arrangent dans le nickelate sous différentes tensions. Le suivi de la réponse du matériau à l'échelle atomique au mouvement de l'hydrogène était particulièrement important. Avec le dispositif au nickelate de l'équipe, les scientifiques travailleront à créer un réseau de neurones et de synapses artificiels qui pourraient apprendre et se modifier à partir de l'expérience. Ce réseau s'agrandirait ou se rétrécirait au fur et à mesure qu'on lui présenterait de nouvelles informations et serait ainsi capable de fonctionner avec une efficacité énergétique extrême. Et cette efficacité énergétique se traduit par des coûts d'exploitation réduits. La microélectronique inspirée du cerveau avec l'appareil de l'équipe comme élément de base pourrait avoir un bel avenir.

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  • La source: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=60909.php

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