Les skyrmions sont des objets atomiques ultra-stables découverts pour la première fois dans des matériaux réels en 2009, qui ont été découverts plus récemment également à des températures ambiantes. Ces objets uniques ont un certain nombre de propriétés souhaitables, comprenant une tension de seuil sensiblement faible, tailles nanométriques et manipulation électrique facile.

Bien que ces propriétés puissent être avantageuses pour la création d'une large gamme d'électronique, le développement de dispositifs tout électriques fonctionnels à l'aide de skyrmions s'est jusqu'à présent avéré très difficile. Une application possible des skyrmions est l'informatique neuromorphique, ce qui implique la création de structures artificielles qui ressemblent à celles observées dans le cerveau humain.

Avec ça en tête, des chercheurs de l'Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST) ont récemment étudié la possibilité d'utiliser des skyrmions pour reproduire les mécanismes observés dans le cerveau humain. Leur papier, Publié dans Nature Électronique , montre que ces structures atomiques ultra-stables peuvent être utilisées pour imiter certains comportements de synapses biologiques, qui sont des jonctions entre les neurones à travers lesquels les impulsions nerveuses sont transmises à différentes parties du cerveau humain.

« Depuis leur découverte, il y a eu quelques démonstrations de manipulations électriques de skyrmions, qui a suggéré qu'ils peuvent être utilisés pour créer un appareil entièrement fonctionnel, " Seonghoon Woo, l'un des chercheurs qui a mené l'étude et maintenant chez IBM, a déclaré TechXplore. "À la fois, nous avons connu une augmentation de la recherche en informatique neuromorphique, suggérant qu'un dispositif de mémoire analogique connu sous le nom de « memristor » pourrait être utilisé pour augmenter considérablement l'efficacité informatique. Comme d'autres technologies utilisant la mémoire analogique existante en sont encore aux premiers stades de développement, nous avons pensé que les memristors basés sur skyrmion pourraient être une solution, en raison de leurs caractéristiques idéales.

Les neurones du cerveau communiquent à travers les synapses à l'aide de neurotransmetteurs, substances chimiques qui transmettent des informations neurologiques d'une cellule à une autre. Dans les synapses artificielles créées par les chercheurs, chaque skyrmion agit comme un neurotransmetteur.

En contrôlant le nombre de skyrmions dans un système utilisant une énergie électrique minimale, les chercheurs ont pu imiter deux mécanismes observés dans les synapses biologiques, à savoir leurs comportements de potentialisation et de dépression, qui sont déclenchés par les variations de poids des neurotransmetteurs. Ces comportements ont été reproduits en provoquant l'accumulation et la dissipation de skyrmions, entraînant des modifications du poids du système et donc de sa mémoire.

« Dans notre étude, nous avons explicitement comparé les synapses basées sur skyrmion avec d'autres technologies plus établies basées sur la mémoire non volatile, comme la mémoire à changement de phase ou la mémoire résistive, " Woo a dit. " Bien que préliminaire, notre étude révèle qu'une conception basée sur skyrmion pourrait avoir des avantages dans des métriques importantes, y compris l'endurance, linéarité et variabilité d'un appareil à l'autre, qui sont maintenant un goulot d'étranglement critique dans les conceptions basées sur PRAM ou RRAM."

Jusque là, Woo et ses collègues ont testé les performances de leurs synapses artificielles au niveau de la puce, dans une série de simulations. Ils ont trouvé qu'ils fonctionnaient remarquablement bien, en particulier sur les tâches de reconnaissance de formes.

« Considérant que la plupart des études actuelles sur le calcul neuromorphique à base de memristors sont basées sur PRAM ou RRAM, Je pense que la réalisation la plus significative de notre étude est que nous avons démontré une nouvelle façon de créer des outils informatiques neuromorphiques basés sur des structures de spin, " Woo a dit.

Dans certaines tâches de reconnaissance de formes, les synapses artificielles créées par Woo et ses collègues ont atteint une précision comparable à celle atteinte par d'autres outils informatiques de pointe. À l'avenir, ces structures pourraient permettre le développement de nouveaux types de réseaux de neurones artificiels (ANN) hautement performants.

"L'un des nombreux avantages des Skyrmions est qu'ils peuvent avoir une échelle de taille très petite - jusqu'à un seul nanomètre - et une échelle d'énergie, dans un matériau idéal, " Woo ajouté. " Cette caractéristique pourrait bientôt réduire considérablement l'énergie de fonctionnement pour les applications informatiques neuromorphiques. "

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