Chaque requête d’un moteur de recherche, chaque texte généré par l’IA et les développements tels que la conduite autonome :à l’ère de l’intelligence artificielle (IA) et du big data, les ordinateurs et les centres de données consomment beaucoup d’énergie. En revanche, le cerveau humain est bien plus économe en énergie. Afin de développer des ordinateurs plus puissants et économes en énergie inspirés du cerveau, une équipe de recherche de la science des matériaux et du génie électrique de l'Université de Kiel (CAU) a désormais identifié les exigences fondamentales en matière de matériel approprié.
Les scientifiques ont développé des matériaux qui se comportent de manière dynamique de manière similaire à celle des systèmes nerveux biologiques. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Materials Today et pourrait conduire à un nouveau type de traitement de l'information dans les systèmes électroniques.
"Les ordinateurs traitent les informations en série, tandis que notre cerveau les traite en parallèle et de manière dynamique. Cela est beaucoup plus rapide et consomme moins d'énergie, par exemple pour la reconnaissance de formes", explique le professeur Hermann Kohlstedt, professeur de nanoélectronique et porte-parole du Centre de recherche collaboratif 1461. Neurotronique à l'Université de Kiel.
Les chercheurs souhaitent utiliser la nature comme source d’inspiration pour de nouveaux composants électroniques et architectures informatiques. Contrairement aux puces informatiques, transistors et processeurs classiques, ils sont conçus pour traiter les signaux de la même manière que le réseau de neurones et de synapses en constante évolution de notre cerveau.
"Mais les ordinateurs restent basés sur la technologie du silicium. Même si des progrès matériels impressionnants ont été réalisés en termes de xy, les réseaux de neurones et de synapses restent inégalés en termes de connectivité et de robustesse", explique le Dr Alexander Vahl, spécialiste des matériaux. Des recherches sur de nouveaux matériaux et processus sont nécessaires pour pouvoir cartographier la dynamique du traitement de l'information biologique.
L’équipe de recherche s’est donc concentrée sur le développement de matériaux qui se comportent dynamiquement de manière similaire aux systèmes nerveux biologiques tridimensionnels. La « dynamique » est créée ici par le fait que la disposition des atomes et des particules dans les matériaux peut changer. À cette fin, les chercheurs ont identifié sept principes de base que le matériel informatique doit respecter pour fonctionner de manière similaire au cerveau.
Il s'agit par exemple d'un certain degré de variabilité :la plasticité du cerveau est une condition nécessaire aux processus d'apprentissage ou de mémoire. Les matériaux développés par les chercheurs en réponse à cela répondent à plusieurs de ces principes de base. Cependant, le matériau « ultime » qui remplit tout n'existe pas encore.
"Lorsque nous combinons ces matériaux entre eux ou avec d'autres matériaux, nous ouvrons des possibilités pour les ordinateurs qui vont au-delà de la technologie traditionnelle du silicium", déclare le professeur Rainer Adelung, professeur de nanomatériaux fonctionnels. "L'industrie et la société ont besoin de plus en plus de puissance de calcul, mais des stratégies telles que la miniaturisation de l'électronique atteignent désormais leurs limites techniques dans les ordinateurs standards. Avec notre étude, nous voulons ouvrir de nouveaux horizons."
A titre d'exemple, Maik-Ivo Terasa, doctorant en science des matériaux et l'un des premiers auteurs de l'étude, décrit le comportement inhabituel des réseaux granulaires spéciaux développés par l'équipe de recherche. "Si nous produisons des nanoparticules d'argent-or d'une certaine manière et appliquons un signal électrique, elles présentent des propriétés particulières. Elles se caractérisent par un équilibre entre stabilité et changement rapide de leur conductivité." De la même manière, le cerveau fonctionne mieux lorsqu'il existe un équilibre entre plasticité et stabilité, appelé criticité.
Dans trois autres expériences, les chercheurs ont montré que les nanoparticules d'oxyde de zinc et les filaments métalliques formés électrochimiquement pouvaient être utilisés pour modifier les chemins du réseau via l'entrée électrique des oscillateurs. Lorsque l’équipe de recherche a couplé ces circuits, leurs déviations de signaux électriques se sont synchronisées au fil du temps. Quelque chose de similaire se produit lors de la perception sensorielle consciente avec les impulsions électriques qui échangent des informations entre les neurones.
Plus d'informations : Maik-Ivo Terasa et al, Voies vers des primitives informatiques véritablement semblables à celles du cerveau, Materials Today (2023). DOI :10.1016/j.mattod.2023.07.019
Informations sur le journal : Les matériaux aujourd'hui
Fourni par l'Université de Kiel
