Les réseaux de neurones font partie des outils les plus importants de l'intelligence artificielle (IA) :ils imitent le fonctionnement du cerveau humain et peuvent reconnaître de manière fiable des textes, langage et images, pour n'en nommer que quelques uns. Jusque là, ils fonctionnent sur des processeurs traditionnels sous forme de logiciels adaptatifs, mais les experts travaillent sur un concept alternatif, le « ordinateur neuromorphe ». Dans ce cas, les points de commutation du cerveau, les neurones, ne sont pas simulés par un logiciel mais reconstruits dans des composants matériels. Une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a maintenant démontré une nouvelle approche pour un tel matériel :des ondes magnétiques ciblées qui sont générées et divisées en plaquettes micrométriques. En regardant vers l'avenir, cela pourrait signifier que les tâches d'optimisation et la reconnaissance de formes pourraient être effectuées plus rapidement et de manière plus efficace sur le plan énergétique. Les chercheurs ont présenté leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique .

L'équipe a basé ses investigations sur un petit disque du matériau magnétique fer nickel, avec un diamètre de quelques micromètres de large. Un anneau d'or est placé autour de ce disque :Lorsqu'un courant alternatif de l'ordre du gigahertz le traverse, il émet des micro-ondes qui excitent des ondes dites de spin dans le disque. "Les électrons dans le fer-nickel présentent un spin, une sorte de tourbillon sur place un peu comme une toupie, " Helmut Schultheiß, responsable du Emmy Noether Group "Magnonics" chez HZDR, explique. "Nous utilisons les impulsions micro-ondes pour faire légèrement dévier le sommet de l'électron." Les électrons transmettent ensuite cette perturbation à leurs voisins respectifs, ce qui provoque une onde de spin à travers le matériau. L'information peut être transportée de manière très efficace de cette manière sans avoir à déplacer les électrons eux-mêmes, c'est ce qui se passe dans les puces informatiques d'aujourd'hui.

De retour en 2019, le groupe Schultheiß a découvert quelque chose de remarquable :dans certaines circonstances, l'onde de spin générée dans le vortex magnétique peut être divisée en deux ondes, chacun avec une fréquence réduite. "Les effets dits non-linéaires en sont responsables, " explique Lukas Körber, collègue de Schultheiß. " Ils ne sont activés que lorsque la puissance micro-onde irradiée franchit un certain seuil. " Un tel comportement suggère que les ondes de spin sont des candidats prometteurs pour les neurones artificiels car il existe un parallèle étonnant avec le fonctionnement du ne se déclenche que lorsqu'un certain seuil de stimulus a été franchi.

Leurre micro-ondes

En premier, cependant, les scientifiques ont été incapables de contrôler très précisément la division de l'onde de spin. Körber explique pourquoi :« Quand nous avons envoyé le micro-ondes dans le disque, il y a eu un laps de temps avant que la vague de spin ne se divise en deux nouvelles vagues. Et c'était difficile à contrôler. l'équipe a dû trouver un moyen de contourner le problème, qu'ils ont maintenant décrit dans Lettres d'examen physique :En plus de la bague en or, une petite bande magnétique est fixée à proximité de la plaquette magnétique. Un signal micro-onde court génère une onde de spin dans cette bande qui peut interagir avec l'onde de spin dans la plaquette et ainsi agir comme une sorte de leurre. L'onde de spin dans la bande provoque la division plus rapide de l'onde dans la plaquette. "Un signal supplémentaire très court suffit pour accélérer le split, " explique Körber. " Cela signifie que nous pouvons maintenant déclencher le processus et contrôler le décalage dans le temps. "

Ce qui veut dire aussi que, en principe, il a été prouvé que les plaquettes à ondes de spin conviennent aux neurones matériels artificiels - elles commutent de la même manière que les cellules nerveuses du cerveau et peuvent être directement contrôlées. "La prochaine chose que nous voulons faire est de construire un petit réseau avec nos neurones à ondes de spin, " annonce Helmut Schultheiß. " Ce réseau neuromorphique devrait alors effectuer des tâches simples telles que la reconnaissance de modèles simples. "

Reconnaissance faciale et optimisation du traficLa reconnaissance de motifs est l'une des applications majeures de l'IA. Reconnaissance faciale sur smartphone, par exemple, évite la nécessité d'un mot de passe. Pour que ça marche, un réseau de neurones doit être formé à l'avance, ce qui implique une puissance de calcul énorme et des quantités massives de données. Les fabricants de smartphones transfèrent ce réseau sur une puce spéciale qui est ensuite intégrée au téléphone portable. Mais la puce a une faiblesse. Il n'est pas adaptatif, ne peut donc pas reconnaître les visages portant un masque, par exemple.

Un ordinateur neuromorphe, d'autre part, pourrait également faire face à des situations comme celle-ci :contrairement aux puces conventionnelles, ses composants ne sont pas câblés mais fonctionnent comme des cellules nerveuses dans le cerveau. "À cause de ce, un ordinateur neuromorphe pourrait traiter de gros volumes de données à la fois, tout comme un humain - et très économe en énergie à cela, " Schultheiß s'enthousiasme. Outre la reconnaissance des formes, le nouveau type d'ordinateur pourrait également s'avérer utile dans un autre domaine économiquement pertinent :pour des tâches d'optimisation telles que les calculateurs d'itinéraires sur smartphone de haute précision.