Des chercheurs du MIT créent des synapses artificielles 10,000 XNUMX fois plus rapides que les synapses biologiques

Les chercheurs tentent depuis des années de construire des synapses artificielles dans l’espoir de se rapprocher des performances informatiques inégalées du cerveau humain. Une nouvelle approche a désormais permis de concevoir des systèmes 1,000 10,000 fois plus petits et XNUMX XNUMX fois plus rapides que leurs homologues biologiques.

Malgré le succès fulgurant de l'apprentissage en profondeur au cours de la dernière décennie, cette approche inspirée du cerveau AI fait face au défi de fonctionner sur un matériel qui ressemble peu aux vrais cerveaux. C'est en grande partie la raison pour laquelle un cerveau humain pesant seulement trois livres peut accomplir de nouvelles tâches en quelques secondes en utilisant la même quantité d'énergie qu'une ampoule, tandis que l'entraînement des plus grands réseaux neuronaux prend des semaines, des mégawattheures d'électricité et des racks. de transformateurs spécialisés.

Cela suscite un intérêt croissant pour les efforts visant à repenser le matériel sous-jacent sur lequel l’IA fonctionne. L’idée est qu’en construisant des puces informatiques dont les composants agissent davantage comme des neurones et des synapses naturels, nous pourrions peut-être nous rapprocher de l’extrême efficacité spatiale et énergétique du cerveau humain. L’espoir est que ces processeurs dits « neuromorphiques » pourraient être bien mieux adaptés à l’exécution de l’IA que ceux d’aujourd’hui. puces informatiques.

Aujourd’hui, des chercheurs du MIT ont montré qu’une conception inhabituelle de synapses artificielles qui imite la dépendance du cerveau aux ions qui circulent autour d’elle pourrait en fait surpasser considérablement les performances biologiques. La découverte d’un matériau tolérant des champs électriques extrêmes, ce qui a considérablement amélioré la vitesse à laquelle les ions pouvaient se déplacer, a été la principale avancée.

"La vitesse était certainement surprenante », Murat Onen, qui a dirigé la recherche, a déclaré dans un communiqué de presse. « Normalement, nous n’appliquerions pas des champs aussi extrêmes sur les appareils, afin de ne pas les transformer en cendres. Mais au lieu de cela, les protons [qui sont équivalents aux ions hydrogène] ont fini par circuler à des vitesses immenses à travers la pile de dispositifs, en particulier un million de fois plus vite que ce que nous avions auparavant.

Bien qu'il existe des a Il existe une variété d'approches de l'ingénierie neuromorphique, l'une des plus prometteuses étant l'informatique analogique. Il s'agit de concevoir des composants capables d'exploiter leur physique interne pour traiter l'information, ce qui est beaucoup plus efficace et direct que d'effectuer des opérations logiques complexes comme le font les puces conventionnelles.

Jusqu’à présent, de nombreuses recherches se sont concentrées sur la conception «memristances" - des composants électroniques qui contrôlent le flux de courant en fonction de la quantité de charge qui a déjà circuléed via l'appareil. Cela imite la façon dont les connexions entre les neurones biologiques augmentent ou diminuent en fonction de la fréquence à laquelle ils communiquent, ce qui signifie que ces dispositifs pourraient en principe être utilisés pour créer des réseaux ayant des propriétés similaires aux réseaux de neurones biologiques.

Sans surprise, ces appareils sont souvent construits à l’aide de technologies de mémoire. Mais dans un nouveau papier dans Sciences, les chercheurs du MIT affirment que les composants optimisés pour le stockage d'informations à long terme sont en réalité mal adaptés à la réalisation des transitions d'état régulières nécessaires pour ajuster continuellement les forces de connexion dans un réseau neuronal artificiel. En effet, les propriétés physiques qui garantissent de longs temps de rétention ne sont généralement pas complémentaires de celles qui permettent une commutation à grande vitesse.

C'est pourquoi les chercheurs ont plutôt conçu un composant dont la conductivité est régulée par l'insertion ou le retrait de protons dans un canal en verre phosphosilicate (PSG). Dans une certaine mesure, cela imite le comportement des synapses biologiques, qui utilisent des ions pour transmettre des signaux à travers l'espace entre deux neurones.

Cependant, c’est là que se situe la similitudes fin. L'appareil comporte deux terminaux qui sont essentiellement l'entrée et la sortie de la synapse. Un troisième terminal est utilisé pour appliquer un champ électrique, qui stimule le déplacement des protons d'un réservoir vers le canal PSG ou vice versa en fonction de la direction du champ électrique. Plus de protons dans le canal augmentent sa résistance.

Les chercheurs venu avec ça conception générale en 2020, mais leur appareil précédent utilisait des matériaux qui n'étaient pas compatibles avec les processus de conception de puces. Mais plus important encore, le passage au PSG a considérablement augmenté la vitesse de commutation de leur appareil. En effet, les pores de taille nanométrique dans sa structure permettent aux protons de se déplacer très rapidement à travers le matériau, et aussi parce qu’il peut résister à de très fortes impulsions de champ électrique sans se dégrader.

Des champs électriques plus puissants augmentent considérablement la vitesse des protons et sont essentiels à la capacité de l’appareil à surpasser les synapses biologiques. Dans le cerveau, les champs électriques doivent rester relativement faibles, car tout ce qui dépasse 1.23 volts (V) provoque l'eau qui produits la majeure partie des cellules pour se diviser en hydrogène et oxygène gazeux. C’est en grande partie la raison pour laquelle les processus neurologiques se produisent à l’échelle de quelques millisecondes.

En revanche, le dispositif de l’équipe du MIT est capable de fonctionner jusqu’à 10 volts avec des impulsions aussi courtes que 5 nanosecondes. Cela permet à la synapse artificielle de fonctionner 10,000 XNUMX fois plus vite que son homologue biologique.s. De plus, les dispositifs ne mesurent que des nanomètres de diamètre, ce qui les rend 1,000 XNUMX fois plus petits que les synapses biologiques.

Experts dit New Scientist que la configuration à trois terminaux de l'appareil, par opposition aux deux que l'on trouve dans la plupart des modèles de neurones, pourrait rendre difficile l'exécution de certains types de réseaux neuronaux. Le fait que les protons doivent être introduits à l’aide d’hydrogène gazeux présente également des défis lors de la mise à l’échelle de la technologie.

Il y a un long chemin à parcourir entre une synapse artificielle individuelle et de grands réseaux capables d’effectuer un traitement sérieux de l’information. Mais la vitesse exceptionnelle et la petite taille des composants suggèrent qu’il s’agit d’une direction prometteuse dans la recherche de nouveaux matériels capables d’égaler, voire de dépasser, la puissance du cerveau humain.

Crédit image: Ella Maru Studio/Murat Onen