Un circuit ionique comprenant des centaines de transistors ioniques. Crédit :Woo-Bin Jung/Harvard SEAS
Les microprocesseurs des smartphones, des ordinateurs et des centres de données traitent les informations en manipulant des électrons via des semi-conducteurs solides, mais notre cerveau a un système différent. Ils s'appuient sur la manipulation d'ions dans un liquide pour traiter l'information.
Inspirés par le cerveau, les chercheurs cherchent depuis longtemps à développer des « ioniques » en solution aqueuse. Alors que les ions dans l'eau se déplacent plus lentement que les électrons dans les semi-conducteurs, les scientifiques pensent que la diversité des espèces ioniques aux propriétés physiques et chimiques différentes pourrait être exploitée pour un traitement de l'information plus riche et plus diversifié.
L'informatique ionique, cependant, en est encore à ses débuts. À ce jour, les laboratoires n'ont développé que des dispositifs ioniques individuels tels que des diodes ioniques et des transistors, mais personne n'a jusqu'à présent réuni de nombreux dispositifs de ce type dans un circuit informatique plus complexe.
Une équipe de chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec DNA Script, une startup biotechnologique, a développé un circuit ionique comprenant des centaines de transistors ioniques et réalisé un processus de base de calcul de réseau neuronal .
La recherche est publiée dans Advanced Materials .
Les chercheurs ont commencé par construire un nouveau type de transistor ionique à partir d'une technique qu'ils ont récemment mise au point. Le transistor est constitué d'une solution aqueuse de molécules de quinone, interfacée avec deux électrodes annulaires concentriques avec une électrode centrale en forme de disque, comme un œil de boeuf. Les deux électrodes annulaires abaissent et ajustent électrochimiquement le pH local autour du disque central en produisant et en piégeant des ions hydrogène. Une tension appliquée au disque central provoque une réaction électrochimique pour générer un courant ionique du disque dans l'eau. La vitesse de réaction peut être accélérée ou diminuée - en augmentant ou en diminuant le courant ionique - en ajustant le pH local. En d'autres termes, le pH contrôle (porte) le courant ionique du disque dans la solution aqueuse, créant une contrepartie ionique du transistor électronique.
Une puce CMOS (à gauche) avec un réseau (au centre) de centaines de transistors ioniques individuels (à droite). Crédit :Woo-Bin Jung/Harvard SEAS
Ils ont ensuite conçu le transistor ionique déclenché par le pH de manière à ce que le courant du disque soit une multiplication arithmétique de la tension du disque et un paramètre de "poids" représentant le pH local déclenchant le transistor. Ils ont organisé ces transistors en un réseau 16 × 16 pour étendre la multiplication arithmétique analogique de transistors individuels en une multiplication matricielle analogique, le réseau de valeurs de pH locales servant de matrice de pondération rencontrée dans les réseaux de neurones.
"La multiplication matricielle est le calcul le plus répandu dans les réseaux de neurones pour l'intelligence artificielle", a déclaré Woo-Bin Jung, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article. "Notre circuit ionique effectue la multiplication de la matrice dans l'eau de manière analogique entièrement basée sur des machines électrochimiques."
"Les microprocesseurs manipulent les électrons de manière numérique pour effectuer une multiplication matricielle", a déclaré Donhee Ham, professeur Gordon McKay de génie électrique et de physique appliquée à SEAS et auteur principal de l'article. "Bien que notre circuit ionique ne puisse pas être aussi rapide ou précis que les microprocesseurs numériques, la multiplication de la matrice électrochimique dans l'eau est charmante en soi et a le potentiel d'être économe en énergie."
Désormais, l'équipe cherche à enrichir la complexité chimique du système.
"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", a déclaré 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."
La recherche a été co-écrite par Han Sae Jung, Jun Wang, Henry Hinton, Maxime Fournier, Adrian Horgan, Xavier Godron et Robert Nicol. Les chimistes suggèrent d'utiliser des liquides ioniques polymères dans les supercondensateurs
