La biologie inspire un nouveau type de circuit à base d’eau qui pourrait transformer l’informatique
L’avenir de l’informatique en réseau neuronal pourrait être un peu plus sombre que prévu.
Une équipe de physiciens a développé avec succès un circuit ionique, un processeur basé sur les mouvements d’atomes et de molécules chargés dans une solution aqueuse, plutôt que sur les électrons dans un semi-conducteur solide.
Comme cela est plus proche de la façon dont le cerveau transporte l’information, disent-ils, leur appareil pourrait être la prochaine étape dans l’informatique de type cérébral.
« Les circuits ioniques dans les solutions aqueuses cherchent à utiliser les ions comme porteurs de charge pour le traitement du signal », écrivent l’équipe dirigée par le physicien Woo-Bin Jung de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) dans un nouvel article.
« Ici, nous rapportons un circuit ionique aqueux Cette démonstration du circuit ionique fonctionnel capable de calcul analogique est une étape vers des ioniques aqueux plus sophistiqués. »
Une partie importante de la transmission du signal dans le cerveau est le mouvement de molécules chargées appelées ions à travers un milieu liquide. Bien que l’incroyable puissance de traitement du cerveau soit extrêmement difficile à reproduire, les scientifiques ont pensé qu’un système similaire pourrait être utilisé pour le calcul : pousser des ions à travers une solution aqueuse.
Ce serait plus lent que l’informatique conventionnelle à base de silicium, mais cela pourrait avoir des avantages intéressants.
Par exemple, des ions peuvent être créés à partir d’un large éventail de molécules, chacune avec des propriétés différentes qui pourraient être exploitées de différentes manières.
Mais d’abord, les scientifiques doivent montrer que cela peut fonctionner.
C’est ce sur quoi Jung et ses collègues ont travaillé. La première étape consistait à concevoir un transistor ionique fonctionnel, un dispositif qui commute ou amplifie un signal. Leur avancée la plus récente consistait à combiner des centaines de ces transistors pour fonctionner ensemble comme un circuit ionique.
Le transistor se compose d’un agencement d’électrodes en « œil de bœuf », avec une petite électrode en forme de disque au centre et deux électrodes annulaires concentriques autour de lui. Celui-ci s’interface avec une solution aqueuse de molécules de quinone.
Une tension appliquée au disque central génère un courant d’ions hydrogène dans la solution de quinone. Pendant ce temps, les deux électrodes annulaires modulent le pH de la solution à la porte, augmentant ou diminuant le courant ionique.
Ce transistor effectue une multiplication physique d’un paramètre de « poids » défini par la paire d’anneaux se synchronisant avec la tension du disque, produisant une réponse sous forme de courant ionique.
Cependant, les réseaux de neurones s’appuient fortement sur une opération mathématique appelée multiplication matricielle, qui implique de multiples multiplications.
Ainsi, l’équipe a conçu des réseaux 16 par 16 de leurs transistors, chacun capable de multiplication arithmétique, pour produire un circuit ionique capable d’effectuer une multiplication matricielle.
« La multiplication matricielle est le calcul le plus répandu dans les réseaux de neurones pour l’intelligence artificielle », explique Jung. « Notre circuit ionique effectue la multiplication de la matrice dans l’eau de manière analogique entièrement basée sur des machines électrochimiques. »
Il y a, bien sûr, des limites importantes à la technologie. Les 16 courants ne peuvent pas être résolus séparément, ce qui signifie que l’opération a dû être effectuée séquentiellement plutôt que simultanément, ce qui a considérablement ralenti une technologie déjà relativement lente.
Cependant, son succès est un pas vers un calcul ionique plus sophistiqué : ce n’est qu’en voyant le problème que l’on peut trouver des solutions.
La prochaine étape consistera à introduire une gamme plus large de molécules dans le système pour voir si cela permet au circuit de traiter des informations plus complexes.
« Jusqu’à présent, nous n’avons utilisé que 3 à 4 espèces ioniques, telles que les ions hydrogène et quinone, pour permettre le déclenchement et le transport ionique dans le transistor ionique aqueux », explique Jung.
« Il sera très intéressant d’employer des espèces ioniques plus diversifiées et de voir comment on peut les exploiter pour enrichir le contenu des informations à traiter. »
L’objectif final, note l’équipe, n’est pas de concurrencer ou de remplacer l’électronique par l’ionique, mais de compléter, peut-être sous la forme d’une technologie hybride avec les capacités des deux.
La recherche a été publiée dans Matériaux avancés.